专利名称：用于反应性离子蚀刻的装置和方法
技术领域：
本申请涉及一种用于对衬底进行反应性离子蚀刻的装置。本申请还涉及一种用于对衬底进行(深度)反应性离子蚀刻的方法。
背景技术：
目前，硅材中的高深宽比(aspect ratio)的特征部的深度反应性离子蚀刻(DRIE)主要依靠特别是在US5，498，312中所描述的所谓波什工艺(Boschprocess)。这种 工艺是硅材微机械加工中最流行的技术选择，并且服务于以下的巨大新兴市场I)用于晶片和芯片的3D堆叠的穿透娃材的通孔(Through-Silicon Vias, TSVs),和2)微机电系统(MEMS，即传感器和致动器)，以及以下更成熟的市场3)DRAM(动态随机存储器)槽蚀亥lj、浅槽隔离蚀刻(Shallow TrenchIsolationetching)。波什工艺还称为深度反应性离子蚀刻，其实质上是相继地蚀刻并且钝化的工艺。最初，波什工艺是基于在Ar中使用NF3或SF6的Si蚀刻的交替循环，以形成气相SiFx蚀刻产物，并且基于在Ar中使用CF4或CHF3来进行钝化，以形成沉积在特征部(feature)的侧壁和底部上的保护性碳氟聚合物。蚀刻和钝化循环的时间尺度一般为几秒(例如3-5秒)。
发明内容
根据一方面，考虑一种蚀刻工艺和装置，其旨在提供快速蚀刻工艺，其中，材料得到了有效利用，并且使得替代形式的钝化变得可能。一方面，提供一种用于对衬底进行反应性离子蚀刻的装置，包含等离子体蚀刻区域，其包括蚀刻气体供应设备并且布置有用于激发等离子体的等离子体产生结构，并且所述等离子蚀刻区域进一步包括电极结构，所述电极结构被布置成用于将所述蚀刻等离子体朝向衬底部分进行加速，以使离子撞击在所述衬底的表面上；钝化区域，其包括提供有钝化气体供应设备的腔；该供应设备被布置成用于从该供应设备向所述腔提供钝化气流；所述腔在使用中由所述注入器头部和所述衬底的表面界定；以及气体排出结构，其包括布置在所述蚀刻区域和所述钝化区域之间的气体排放部；所述气体排出结构因此形成所述蚀刻区域和所述钝化区域的空间分界。根据另一方面，一种用于在衬底的表面上进行反应性离子蚀刻的方法，所述方法使用包括注入器头部的装置，所述注入器头部包含等离子体蚀刻区域，其包括蚀刻气体供应设备并且布置有用于激发等离子体的等离子体产生结构；钝化区域，其包括提供有钝化气体供应设备的腔；该供应设备和引流管被布置用于经由所述腔从所述供应设备向所述引流管提供钝化气流；所述腔在使用中由所述注入器头部和所述衬底的表面气体界定；以及气体排出结构，其包含布置在所述蚀刻区域和钝化区域之间的气体排放部；所述气体排出结构由此形成所述蚀刻区域和钝化区域的空间分界；在保持所述蚀刻区域和钝化区域空间上分开的同时，所述方法包含以下时间循环步骤a)将所述注入器的头部的等离子体蚀刻区域放置在衬底部分的上方，所述衬底部分具有对蚀刻等离子体敏感的子部分；b)供应蚀刻等离子体，并且通过电极结构将所述蚀刻等离子体朝向所述衬底部分加速，以使离子撞击在所述衬底的表面上，以便蚀刻所述子部分； c)相对于所述衬底移动所述注入器头部，以将所述钝化区域定位在所述衬底部分的上方；以及d)通过从所述钝化气体供应设备在所述腔中提供钝化气体，而在所述衬底部分上
供应钝化层。由于空间分界，通过消除气体转换和清除/泵时间循环，而显著增加蚀刻速率。装置可以包括腔压强控制器。腔中的压强可以被控制为独立于和/或不同于腔外部的压强。通过这种方式，可以设定腔中的预定的压强，优选地，为专门用于最优化在专门用于各工艺步骤的各腔中的工艺气体的扩散的平均自由行程。在使用装置时，腔由衬底的表面界定。显然，通过这种方式，衬底帮助限制工艺气体。在腔和衬底表面的平面内的衬底之间的相对移动的组合，以及将被注入的工艺气体限制在腔内，进一步使工艺气体能被相当有效地利用。通过这种方式，能在衬底的表面上有效地分配工艺气体的体积，从而提高工艺气体分子被注入腔后附着在衬底的表面上的概率。
现在将参照附图对本公开进行非限制性说明，其中图I示出了第一实施例中用于衬底的反应性离子蚀刻的装置的示意性透视侧视图；图2示出了第二实施例中用于衬底的反应性离子蚀刻的装置的示意性侧视图；图3示出了根据本公开另一实施例的注入器头部的仰视图；图4示出了用于衬底的反应性离子蚀刻的装置的另一示意性透视侧视图；图5示出了带有工艺窗口 W的图解；图6示出了另一实施例的进一步的示意性侧视图；图7示出了嵌套在蚀刻子周期之间的ALD (Atomic Layer Deposition,原子层沉积)钝化周期的示意性时间图表；图8示出了包括旋转的注入器头部的替代实施例；图9示出了用于提供等离子体的多个电极构形；以及图10示意性示出了采用替代ALD钝化的蚀刻/钝化工艺。除非另有规定，所有附图中相同的附图标记代表相似的组成部分。
具体实施例方式图I在一个实施例中示出了用于衬底5的反应性离子蚀刻的装置的示意性透视侧视图。该图示出了关于其它气体入口腔(或“袋”)的优选高度He、Hp、受限的等离子体蚀刻区域和钝化区域的侧向向前延伸L以及压强和流动的范围的一些基本原则的设计考虑。此处，主要的考虑是沟道上的压降与高度的立方H3成比例(并且线性于L和流动速率)，H是获得期望的压强的便利设计参数。可以看出，该设计实质上包含可选地被净化气体限制分开的等离子体蚀刻区域和钝化区域。钝化区域的最简单形式可以是常规的基于C4F8的沉积。相应地，所示出的用于对衬底5进行反应性离子蚀刻的装置I包含等离子体蚀刻区域2，等离子体蚀刻区域2包含蚀刻气体供应设备40并且布置有用于激发等离子体4的等离子体产生结构22 (见图2)。该等离子体可以为本领域已知的远程类型。等离子体产生结构22可以包括现有技术中已知的电极和/或RF-线圈，其布置在腔20附近(例如，在蚀刻气体供应设备40中)。此外，等离子体产生结构22包含电极结构(见图2)，以将蚀刻等 离子体朝向衬底部分进行加速，从而让离子撞击衬底的表面。钝化区域3包括腔8，腔8提供有(可选地，由等离子体辅助的)钝化气体供应设备41 ;供应设备41被布置成用于提供经腔8将钝化气流从供应设备41提供给引流管(drain)6 ;在使用中，腔8由注入器头部I和衬底表面50定界；并且，气体排出结构7包含气体排放部6，气体排放部6布置在蚀刻区域2和钝化区域3之间；气体排出结构6由此形成蚀刻区域2和钝化区域3的空间分界。典型地，并且优选地，反应步骤(蚀刻、钝化、可选的清除)是在室温下进行的，而(由气流和反应隔间中的压强P6和Pp的尺寸来实现的)最佳压强通过以下示例来提供
权利要求
1.一种用于对衬底进行反应性离子蚀刻的装置，包括注入器头部，所述注入器头部包括 等离子体蚀刻区域，其包括蚀刻气体供应设备并且布置有用于激发等离子体的等离子体产生结构，并且所述等离子蚀刻区域进一步包括电极结构，所述电极结构被布置成用于将所述蚀刻等离子体朝向衬底部分进行加速，以使离子撞击在所述衬底的表面上； 钝化区域，其包括提供有钝化气体供应设备的腔；该供应设备被布置成用于从该供应设备向所述腔提供钝化气流；所述腔在使用中由所述注入器头部和所述衬底的表面界定；以及 气体排出结构，其包括布置在所述蚀刻区域和所述钝化区域之间的气体排放部；所述气体排出结构因此形成所述蚀刻区域和所述钝化区域的空间分界。
2.根据权利要求I所述的装置，进一步包括气体轴承结构，所述气体轴承结构包括轴承气体注入器，所述轴承气体注入器被布置成用于在所述注入器头部和所述衬底的表面之间注入轴承气体，所述轴承气体因此形成气体轴承；所述气体轴承界限出所述蚀刻区域和所述钝化区域的至少一个外周边。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述钝化区域中的所述腔限定相对于具有腔供应设备和引流管的衬底表面的腔高度Hp;并且其中，所述轴承气体注入器被布置在面向所述衬底的轴承面部分中，所述轴承面部分相对于衬底限定间隙距离Hg，所述间隙距离Hg小于所述腔高度Hp。
4.根据权利要求2所述的装置，其中，所述轴承气体注入器包括流量限制装置，所述流量限制装置限定所述气体轴承的机械刚度。
5.根据权利要求2所述的装置，其中，沿着与所述衬底的表面垂直的方向看，所述气体轴承形成为起伏形状，以防止薄板状衬底的一阶弯曲模式。
6.根据权利要求I所述的装置，其中，所述等离子体蚀刻区域包括蚀刻腔，所述蚀刻腔具有相对于衬底表面的腔高度氏，所述腔高度大于相对于在所述钝化区域中的衬底表面的腔高度Hp。
7.根据权利要求I所述的装置，其中，所述钝化区域包含多个供应设备，至少一个供应设备被布置成用于在原子层沉积工艺步骤中供应前体气体；并且另一供应设备提供有反应物供应设备，所述另一供应设备在使用中由流动屏障界定。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，在包括界限出所述腔的引流管的各个腔内提供有至少一个所述供应设备。
9.根据权利要求I所述的装置，进一步包含支撑部件，所述支撑部件被布置成与所述注入器头部相对，以支撑由所述气体轴承结构支持住的衬底；所述支撑部件包括用于将所述蚀刻等离子体导向所述衬底的电极。
10.根据权利要求I所述的装置，其中，所述注入器头部可移向和移离传送平面。
11.根据权利要求I所述的装置，进一步包含温度控制器，所述温度控制器被布置成用于将所述腔的温度保持在-20°C至+75°C的范围内。
12.一种用于在衬底的表面上进行反应性离子蚀刻的方法，所述方法使用包括注入器头部的装置，所述注入器头部包含 等离子体蚀刻区域，其包括蚀刻气体供应设备并且布置有用于激发等离子体的等离子体产生结构； 钝化区域，其包括提供有钝化气体供应设备的腔；该供应设备和引流管被布置用于经由所述腔从所述供应设备向所述引流管提供钝化气流；所述腔在使用中由所述注入器头部和所述衬底的表面气体界定；以及 气体排出结构，其包含布置在所述蚀刻区域和钝化区域之间的气体排放部；所述气体排出结构由此形成所述蚀刻区域和钝化区域的空间分界； 在保持所述蚀刻区域和钝化区域空间上分开的同时，所述方法包含以下时间循环步骤 a)将所述注入器的头部的等离子体蚀刻区域放置在衬底部分的上方，所述衬底部分具有对蚀刻等离子体敏感的子部分； b)供应蚀刻等离子体,并且通过电极结构将所述蚀刻等离子体朝向所述衬底部分加速，以使离子撞击在所述衬底的表面上，以便蚀刻所述子部分； c)相对于所述衬底移动所述注入器头部，以将所述钝化区域定位在所述衬底部分的上方；以及 d)通过从所述钝化气体供应设备在所述腔中提供钝化气体，而在所述衬底部分上供应钝化层。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述钝化区域包含多个供应设备，通过在第一腔中供应前体气体来进行原子层沉积工艺步骤中提供的所述钝化层的供应；并且在另一腔中提供反应物供应，所述另一腔提供有反应物供应设备，所述另一腔在使用中由流动屏障界定。
14.根据权利要求12所述的方法，进一步包含将所述注入器头部放置在气体轴承中，所述气体轴承通过气体轴承结构与所述衬底接触。
15.根据权利要求12所述的方法，进一步包含将所述腔的温度控制在_20°C至+75°C的范围内。
全文摘要
本发明涉及一种用于对衬底(5)进行反应性离子蚀刻的装置(1)，包含等离子体蚀刻区域(2)、钝化区域(3)和气体排出结构(7)，等离子体蚀刻区域(2)包括蚀刻气体供应设备(40)并且设置有用于激发等离子体(4)的等离子体产生结构(22)，并且包含被布置成将蚀刻等离子体朝向衬底部分加速以使离子撞击在衬底(5)的表面上的电极结构，钝化区域(3)包括提供有钝化气体供应设备(41)的腔(8)；供应设备(41)被布置成用于从供应向腔(8)提供钝化气流；腔(8)在使用中由注入器头部(1)和衬底的表面定界；气体排出结构(7)包含布置在蚀刻区域和钝化区域之间的气体排放部(6)；气体排出结构(7)因此形成蚀刻区域(2)和钝化区域(3)的空间分界。
文档编号H01J37/32GK102859647SQ201180021337
公开日2013年1月2日 申请日期2011年2月25日 优先权日2010年2月26日
发明者弗雷迪·罗泽博姆, 阿德里安·马里努斯·兰克霍斯特, 保卢斯·威力布罗德斯·乔治·波特, N·B·科斯特, 何拉尔德斯·约翰·约瑟夫·维纳德斯, 阿德里亚努斯·约翰尼斯·皮德勒斯·玛利亚·弗米尔 申请人:荷兰应用自然科学研究组织Tno