一种碳化硅刻蚀工艺腔体装置及使用方法与流程

本发明涉及碳化硅晶片刻蚀技术领域，具体涉及一种碳化硅刻蚀工艺腔体装置及使用方法。

背景技术：

随着科学技术的迅猛发展，对功率半导体器件的性能提出了越来越高的要求。目前使用的功率器件主要由硅等传统半导体材料制成，由于受材料性能的限制，器件的电学性能已经难以持续的大幅提高；而且用这些材料制成的器件不能在高温强辐射等恶劣环境下长期工作，特别是在新能源、汽车电子、航空航天等领域中，传统的硅功率器件已经逐渐难以胜任。在众多新型半导体材料中，碳化硅(sic)材料以其良好的物理和电学性能成为制造新一代半导体功率器件和电路的首选材料。尤其是高温、高压和高频电力电子应用领域，sic功率器件更具有硅功率器件难以比拟的优势和潜力。

刻蚀技术是sic器件研制中的一项关键支撑技术，刻蚀工艺的刻蚀精度、刻蚀损伤以及刻蚀表面的残留物均对sic器件的性能有重要影响。由于sic材料硬度高、化学性质稳定，湿法刻蚀无法达到要求，因此目前对sic的刻蚀常采用等离子体干法刻蚀工艺，刻蚀的基本过程为：在sic晶片上形成具有图形的sio2掩膜，并将该sic晶片置于刻蚀设备的腔室内；将六氟化硫气体和氧气作为刻蚀气体通入腔室内，并向刻蚀设备的上下射频电极分别施加电压，产生电弧放电，使部分刻蚀气体电离生成离子、电子和自由基，这种由部分离化的气体组成的气相物质称为等离子体；等离子体会在电场的作用下高速运动到sic晶片表面，通过化学反应和物理轰击双重作用刻蚀暴露的sic晶片，在sic晶片上形成图形。

如专利号为201120510365.0的实用新型公开了一种低刻蚀率等离子体刻蚀室，将作为上电极的气体喷淋头材料设置为石英，由于石英材料的介电常数较小，因而晶片表面的射频耦合较差，从而降低了刻蚀速率；当刻蚀气体中包含碳氟化合物时，由于石英喷淋头会消耗一部分活性组分，因此刻蚀速率也会降低。通过采用石英材料制作气体喷淋头，可以控制较高的碳氟化物流量和较高的射频功率完成低速率的刻蚀，便于精确控制，从而改善刻蚀工艺的可靠性和稳定性。但是该实用新型依旧存在一些不足之处：采用机械压着方式会降低晶片边缘利用率，受力不均匀、会导致晶片翘曲且有导致暗伤风险；刻蚀得到的图形拐角处与侧壁的交界处容易形成微沟槽，这种现象尤其在图形关键尺寸较小时更加严重，并且刻蚀的沟槽中残渣不易排出，易导致刻蚀不均匀。

技术实现要素：

本发明针对背景技术所提出的问题，设计了一种碳化硅刻蚀工艺腔体装置及使用方法，最大程度降低了晶片在工艺过程中所受的机械外力影响，也保证了晶片整体良率。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种碳化硅刻蚀工艺腔体装置及使用方法，包括晶片定位环、边缘环、聚集环、静电盘、下水盘及绝缘环，所述绝缘环的内部设置有下电极，所述下电极与外部的第一射频电源电性连接，所述绝缘环的顶端固定连接有所述下水盘，所述下水盘内部中央位置固定安装有半导体制冷器，所述半导体制冷器的四周形成一个冷却水循环区域，所述下水盘的下表面开设有进水口和出水口，所述下水盘的上表面开设有环形槽，所述环形槽的内部设置有环形导热片，所述环形导热片的顶面与所述静电盘相固定，所述静电盘用于静电吸附碳化硅晶片，所述静电盘呈三层阶梯圆柱形，上层及中间阶梯圆柱的外壁共同套设有对所述静电盘边缘起保护作用的所述边缘环，所述边缘环的上表面固定有用于限定碳化硅晶片准确放置范围的晶片定位环，下层阶梯圆柱的外壁套设有将工艺能量集中在碳化硅晶片周围的所述聚集环；

所述下电极及所述绝缘环均固定于刻蚀室的底面上，所述刻蚀室的底部通过抽吸管依次连接有分子泵和干泵，所述刻蚀室的顶部安装有进气管，所述进气管的底端外壁通过密封轴承转动安装有连接管，所述连接管的底端连通有气体喷淋头，所述气体喷淋头的底端面均匀开设有气体通孔，所述连接管的外壁固定有上从动齿轮和下从动齿轮，所述上从动齿轮和下从动齿轮均由驱动结构驱动，所述驱动结构包括转动轴、上不完全齿轮、下不完全齿轮和驱动马达，所述上不完全齿轮和下不完全齿轮均固定于所述转动轴的外壁，所述转动轴的顶端通过减速机与所述驱动马达相连接，所述刻蚀室的顶面还固定有上电极，所述上电极与外部的第二射频电源电性连接。

作为上述方案的进一步改进，所述上不完全齿轮与所述上从动齿轮之间啮合连接有中间齿轮，所述下不完全齿轮与所述下从动齿轮直接啮合连接。

作为上述方案的进一步改进，所述进水口通过进水管、真空泵与储水箱相连通，所述出水口通过出水管与回收箱相连通。

作为上述方案的进一步改进，所述碳化硅晶片自上而下包括图形化的光刻胶掩膜层、氧化硅层以及下方半导体器件层。

作为上述方案的进一步改进，所述进气管内部通入的为刻蚀气体，所述刻蚀气体包括溴化氢气体、三氟甲烷气体和氧气，所述溴化氢气体、三氟甲烷气体和氧气三者的气体流量比为1∶1∶7。

作为上述方案的进一步改进，所述第一射频电源的输出功率为250～300w，所述第二射频电源的的输出功率为1000～1100w。

作为上述方案的进一步改进，所述聚集环采用陶瓷材质，所述聚集环使有效电荷集中在碳化硅晶片刻蚀工艺区域内。

作为上述方案的进一步改进，所述静电盘的内部还设有静电吸附主机和吸附控制器，所述静电吸附主机具有漏电保护、电流过载保护及高压脉冲保护，所述吸附控制器用于控制电路的状态。

一种碳化硅刻蚀工艺腔体装置的使用方法，包括以下步骤：

a、首先将待刻蚀的碳化硅晶片放置于晶片定位环内部，静电盘接通电源后可吸附碳化硅晶片；

b、通过刻蚀室顶部安装的进气管向气体喷淋头内部通入刻蚀气体，同时第一射频电源向下电极施加电压v1，第二射频电源向上电极施加电压v2，上电极与下电极之间产生电弧放电，使部分刻蚀气体电离，形成等离子体；

c、等离子体在上电极与下电极之间所形成的的电场作用下高速运动到碳化硅晶片表面，从而可对碳化硅晶片表面进行物理轰击和化学反应刻蚀；

d、在刻蚀的过程中，由于化学反应会放出或吸收热量，可使下水盘内部半导体制冷器进行工作，再结合冷却水的流动，可使碳化硅晶片保持一定的温度，以保证刻蚀的均匀性；

e、刻蚀过程的反应生成物及剩余气体通过分子泵和干泵抽取至外部即可。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明中设置有静电盘，且静电盘的内部还设有静电吸附主机和吸附控制器，在静电吸附主机通电后依据库伦定律和洛伦兹定律，从而可利用静电盘的电磁力对碳化硅晶片进行有效地吸附，碳化硅晶片能平整的贴附在静电盘上表面，最大程度降低了碳化硅晶片在工艺过程中所受的机械外力影响，也进一步保证了碳化硅晶片整体良率，同时也减少了机械结构，延长了维护周期且降低了维护成本。

2、本发明中，进气管的底端外壁通过密封轴承转动安装有连接管，连接管的底端连通有气体喷淋头，连接管的外壁固定有上从动齿轮和下从动齿轮，上从动齿轮和下从动齿轮均由驱动结构驱动，驱动结构包括转动轴、上不完全齿轮、下不完全齿轮和驱动马达，驱动马达带动转动轴顺时针转动时，上半周期中下不完全齿轮与下从动齿轮啮合连接，进而会带动连接管及气体喷淋头逆时针转动，下半周期中，上不完全齿轮通过中间齿轮带动上从动齿轮顺时针转动，进而会带动连接管及气体喷淋头顺时针转动，从而驱动结构可带动气体喷淋头顺时针、逆时针往复循环转动，能有效防止刻蚀图形拐角处微沟槽的形成，同时也有利于沟槽中残渣的排出，保证了刻蚀的均匀性。

3、本发明中，水盘内部中央位置固定安装有半导体制冷器，半导体制冷器的四周形成一个冷却水循环区域，下水盘的下表面开设有进水口和出水口，半导体制冷器通电后可对循环区域内部的冷却水进一步冷却，从而可使碳化硅晶片保持一定的温度，以保证刻蚀的均匀性；再结合进水管、真空泵及出水管的使用，可使冷却水循环流动起来，能进一步提高降温效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的内部结构示意图；

图2为本发明中刻蚀室底面上组件安装示意图；

图3为本发明中图2的俯视图；

图4为本发明中气体喷淋头及其周边组件的第一视角立体示意图；

图5为本发明中气体喷淋头及其周边组件的第二视角立体示意图；

图6为本发明实施例2中刻蚀室底面上组件安装示意图。

其中，1-晶片定位环，2-边缘环，3-聚集环，4-静电盘，5-下水盘，6-绝缘环，7-驱动结构，701-转动轴，702-上不完全齿轮，703-下不完全齿轮，704-驱动马达，705-减速机，706-中间齿轮，8-下电极，9-第一射频电源，10-半导体制冷器，11-进水口，12-出水口，13-环形槽，14-环形导热片，15-刻蚀室，16-抽吸管，17-分子泵，18-干泵，19-进气管，20-连接管，21-气体喷淋头，22-上从动齿轮，23-下从动齿轮，24-上电极，25-第二射频电源，26-进水管，27-真空泵，28-储水箱，29-出水管，30-回收箱，31-碳化硅晶片。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语″第一″、″第二″等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语″包括″和″具有″以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本申请中，术语″上″、″下″、″左″、″右″、″前″、″后″、″顶″、″底″、″内″、″外″、″中″、″竖直″、″水平″、″横向″、″纵向″等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语″上″在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。

此外，术语″安装″、″设置″、″设有″、″连接″、″相连″、″套接″应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图1～6对本发明进一步说明。

一种碳化硅刻蚀工艺腔体装置及使用方法，包括晶片定位环1、边缘环2、聚集环3、静电盘4、下水盘5及绝缘环6，绝缘环6的内部设置有下电极8，下电极8与外部的第一射频电源9电性连接，绝缘环6的顶端固定连接有下水盘5，下水盘5内部中央位置固定安装有半导体制冷器10，半导体制冷器10的四周形成一个冷却水循环区域，下水盘5的下表面开设有进水口11和出水口12，下水盘5的上表面开设有环形槽13，环形槽13的内部设置有环形导热片14，环形导热片14的顶面与静电盘4相固定，静电盘4用于静电吸附碳化硅晶片31，碳化硅晶片31自上而下包括图形化的光刻胶掩膜层、氧化硅层以及下方半导体器件层，静电盘4呈三层阶梯圆柱形，上层及中间阶梯圆柱的外壁共同套设有对静电盘4边缘起保护作用的边缘环2，边缘环2的上表面固定有用于限定碳化硅晶片31准确放置范围的晶片定位环1，下层阶梯圆柱的外壁套设有将工艺能量集中在碳化硅晶片31周围的聚集环3；

下电极8及绝缘环6均固定于刻蚀室15的底面上，刻蚀室15的底部通过抽吸管16依次连接有分子泵17和干泵18，刻蚀室15的顶部安装有进气管19，进气管19的底端外壁通过密封轴承转动安装有连接管20，连接管20的底端连通有气体喷淋头21，气体喷淋头21的底端面均匀开设有气体通孔，连接管20的外壁固定有上从动齿轮22和下从动齿轮23，上从动齿轮22和下从动齿轮23均由驱动结构7驱动，驱动结构7包括转动轴701、上不完全齿轮702、下不完全齿轮703和驱动马达704，上不完全齿轮702和下不完全齿轮703均固定于转动轴701的外壁，转动轴701的顶端通过减速机705与驱动马达704相连接，刻蚀室15的顶面还固定有上电极24，上电极24与外部的第二射频电源25电性连接；上不完全齿轮702与上从动齿轮22之间啮合连接有中间齿轮706，下不完全齿轮703与下从动齿轮23直接啮合连接。

其中，进气管19内部通入的为刻蚀气体，刻蚀气体包括溴化氢气体、三氟甲烷气体和氧气，溴化氢气体、三氟甲烷气体和氧气三者的气体流量比为1∶1∶7；第一射频电源9的输出功率为250～300w，第二射频电源25的的输出功率为1000～1100w；聚集环3采用陶瓷材质，聚集环3使有效电荷集中在碳化硅晶片31刻蚀工艺区域内；静电盘4的内部还设有静电吸附主机和吸附控制器，静电吸附主机具有漏电保护、电流过载保护及高压脉冲保护，吸附控制器用于控制电路的状态。

实施例1

如图1～5所示，一种碳化硅刻蚀工艺腔体装置及使用方法，包括晶片定位环1、边缘环2、聚集环3、静电盘4、下水盘5及绝缘环6，绝缘环6的内部设置有下电极8，下电极8与外部的第一射频电源9电性连接，绝缘环6的顶端固定连接有下水盘5，下水盘5内部中央位置固定安装有半导体制冷器10，半导体制冷器10的四周形成一个冷却水循环区域，下水盘5的下表面开设有进水口11和出水口12，下水盘5的上表面开设有环形槽13，环形槽13的内部设置有环形导热片14，环形导热片14的顶面与静电盘4相固定，静电盘4用于静电吸附碳化硅晶片31，碳化硅晶片31自上而下包括图形化的光刻胶掩膜层、氧化硅层以及下方半导体器件层，静电盘4呈三层阶梯圆柱形，上层及中间阶梯圆柱的外壁共同套设有对静电盘4边缘起保护作用的边缘环2，边缘环2的上表面固定有用于限定碳化硅晶片31准确放置范围的晶片定位环1，下层阶梯圆柱的外壁套设有将工艺能量集中在碳化硅晶片31周围的聚集环3；

下电极8及绝缘环6均固定于刻蚀室15的底面上，刻蚀室15的底部通过抽吸管16依次连接有分子泵17和干泵18，刻蚀室15的顶部安装有进气管19，进气管19的底端外壁通过密封轴承转动安装有连接管20，连接管20的底端连通有气体喷淋头21，气体喷淋头21的底端面均匀开设有气体通孔，连接管20的外壁固定有上从动齿轮22和下从动齿轮23，上从动齿轮22和下从动齿轮23均由驱动结构7驱动，驱动结构7包括转动轴701、上不完全齿轮702、下不完全齿轮703和驱动马达704，上不完全齿轮702和下不完全齿轮703均固定于转动轴701的外壁，转动轴701的顶端通过减速机705与驱动马达704相连接，刻蚀室15的顶面还固定有上电极24，上电极24与外部的第二射频电源25电性连接；上不完全齿轮702与上从动齿轮22之间啮合连接有中间齿轮706，下不完全齿轮703与下从动齿轮23直接啮合连接。

其中，进气管19内部通入的为刻蚀气体，刻蚀气体包括溴化氢气体、三氟甲烷气体和氧气，溴化氢气体、三氟甲烷气体和氧气三者的气体流量比为1∶1∶7；第一射频电源9的输出功率为280w，第二射频电源25的的输出功率为1050w；聚集环3采用陶瓷材质，聚集环3使有效电荷集中在碳化硅晶片31刻蚀工艺区域内；静电盘4的内部还设有静电吸附主机和吸附控制器，静电吸附主机具有漏电保护、电流过载保护及高压脉冲保护，吸附控制器用于控制电路的状态。

一种碳化硅刻蚀工艺腔体装置的使用方法，包括以下步骤：

a、首先将待刻蚀的碳化硅晶片31放置于晶片定位环1内部，静电盘4接通电源后可吸附碳化硅晶片31；

b、通过刻蚀室15顶部安装的进气管19向气体喷淋头21内部通入刻蚀气体，同时第一射频电源9向下电极8施加电压v1，第二射频电源25向上电极24施加电压v2，上电极24与下电极8之间产生电弧放电，使部分刻蚀气体电离，形成等离子体；

c、等离子体在上电极24与下电极8之间所形成的的电场作用下高速运动到碳化硅晶片31表面，从而可对碳化硅晶片31表面进行物理轰击和化学反应刻蚀；

d、在刻蚀的过程中，由于化学反应会放出或吸收热量，可使下水盘5内部半导体制冷器10进行工作，再结合冷却水的流动，可使碳化硅晶片31保持一定的温度，以保证刻蚀的均匀性；

e、刻蚀过程的反应生成物及剩余气体通过分子泵17和干泵18抽取至外部即可。

本实施例的使用过程中，静电盘4的内部还设有静电吸附主机和吸附控制器，在静电吸附主机通电后依据库伦定律和洛伦兹定律，从而可利用静电盘4的电磁力对碳化硅晶片31进行有效地吸附，碳化硅晶片31能平整的贴附在静电盘4上表面，最大程度降低了碳化硅晶片31在工艺过程中所受的机械外力影响，也进一步保证了碳化硅晶片31整体良率；同时还可使驱动马达704带动转动轴701顺时针转动，上半周期中下不完全齿轮703与下从动齿轮23啮合连接，进而会带动连接管20及气体喷淋头21逆时针转动，下半周期中，上不完全齿轮702通过中间齿轮706带动上从动齿轮22顺时针转动，进而会带动连接管20及气体喷淋头21顺时针转动，从而驱动结构7可带动气体喷淋头21顺时针、逆时针往复循环转动，能有效防止刻蚀图形拐角处微沟槽的形成，同时也有利于沟槽中残渣的排出，保证了刻蚀的均匀性。

实施例2

实施例2在实施例1的基础上，如图6所示，进水口11通过进水管26、真空泵27与储水箱28相连通，出水口12通过出水管29与回收箱30相连通。

本实施例在使用过程中，半导体制冷器10通电后可对循环区域内部的冷却水进一步冷却，从而可使碳化硅晶片31保持一定的温度，以保证刻蚀的均匀性；再结合进水管26、真空泵27及出水管29的使用，可使冷却水循环流动起来，能进一步提高降温效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。