大气等离子体化学平坦化方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种大气等离子体化学平坦化方法及装置，属于机械制造【技术领域】。本发明为解决现有CMP等全局平坦化方法存在的如加工选择性不高、去除速率不均、清洗困难等问题。方法在大气压下激发等离子体和活性原子，通过活性原子与工件表面原子间的化学反应实现材料的去处，高处形貌的反应速率大于低处形貌的反应速率，从而实现表面的平坦化。装置的水冷电极置于成型电极上方，并共同设置于保持架内，保持架下端面设有放电挡板，保持架与台座间形成气流缓冲间隙，成型电极下端面与水冷吸附工作台上端面间形成放电间隙，射频电源通过阻抗匹配器与电极连接。本发明适用于硅晶圆、碳化硅/蓝宝石衬底、光伏电池薄膜层等的平坦化加工。
【专利说明】大气等离子体化学平坦化方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明隶属于机械制造领域，涉及一种大气等离子体化学平坦化方法及装置。
【背景技术】
[0002]平坦化简单说就是在晶片的表面保持平整平坦的工艺。平坦化技术是超大规模集成电路(ULSI)制造、高性能LED元件制造、太阳能电池制造等领域加工衬底和层间处理的关键工艺，通过降低晶片表面或薄膜层上的微观不平度，提高光刻图形的准确性，进而提升元件性能和生产效率。目前，平坦化技术已应用在硅、碳化硅、氮化锗、蓝宝石、二氧化硅等多种材料的晶圆或薄膜层上。虽然目前已提出了多种平坦化技术，但化学机械抛光(CMP，Chemical Mechanical Polishing)被认为是目前唯一可实现全局平坦化的方法，也是应用最广泛的平坦化技术。CMP是化学腐蚀作用与机械摩擦作用的结合，其通过比去除低处图形快的速度去除高处图形来获得平坦化的表面，但在实际应用中也存在一定缺陷，如:不易实现自动化控制、加工过程的选择性不高、大尺寸晶片去除速率不均、清洗困难等。
[0003]大气等离子体化学加工通过等离子体激发高密度活性反应原子，待加工表面原子与反应原子发生化学反应，生成气态产物并离开表面，避免了表层/亚表层损伤和表面污染，活性等离子体氛围下的高化学反应速率也保证了较高的加工效率。大气等离子体化学加工的微观机理分析和实验研究已经证实，大气等离子体化学反应过程具有良好的选择性，高处形貌的去除速率明显高于低处形貌的去除速率，在有限加工时间内能快速提高表面平整度，可满足全局平坦化的加工需求，且在整个界面上反应均匀，不会出现局部“欠抛”或“过抛”的情况。另外，大气等离子体化学反应过程还具有良好的可控性，通过对过程的精确控制也能兼顾局部平坦化。此外，大气等离子体化学平坦化方法是非接触式大面积干法高效刻蚀技术，避免了 CMP技术在应用中存在的上述问题，较具应用前景。
【发明内容】
[0004]化学机械抛光(CMP)是目前唯一可实现全局平坦化的方法，本发明提出了一种新的平坦化方法，可同时兼顾全局平坦化和局部平坦化，并解决了 CMP技术不易实现自动化控制、加工过程的选择性不高、大尺寸晶片去除速率不均、清洗困难等问题。
[0005]本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是:
[0006]所述方法在大气压下对氦气等气体放电激发形成等离子体，通过等离子体激发四氟化碳等反应气体生成氟原子等活性反应原子，活性反应原子与工件表面原子发生化学反应生成气态产物，气态产物离开表面实现材料去除，该大气等离子体化学反应过程具有良好的选择性，工件表面上较高形貌的化学反应速率高于较低形貌的化学反应速率，因而表面微观不平度可以进一步降低，且在整个反应界面上反应特性没有明显的差异，可以实现全局平坦化，另外，当对特定区域进行针对性局部放电加工时，也可实现局部平坦化。
[0007]所述加工装置包括氦气瓶、四氟化碳气瓶、氧气瓶、氦气质量流量控制器、四氟化碳质量流量控制器、氧气质量流量控制器、混气阀、进气孔、台座、调整垫片、保持架、水冷电极、成型电极、放电挡板、阻抗匹配器、射频电源、接地线、排气孔、水冷吸附工作台、密封槽、微型真空泵、循环水泵、水槽、定位挡块，水冷电极上设有上端盖，水冷电极设置在成型电极上端面上，水冷电极与成型电极通过螺纹紧密连接后共同设置在保持架内，保持架下端面与成型电极下端面处于同一平面内，放电挡板通过螺纹固定在保持架下端面上，水冷电极、成型电极、放电挡板共同组成组合式电极，台座内设有进气孔和排气孔，保持架设置在台座内，且保持架与台座同轴设置以保持气流缓冲间隙的间隙均匀，台座与保持架的轴向定位面间设有调整垫片，成型电极下端面须置于进气孔和排气孔下边缘的下方，保持架设置在水冷吸附工作台上端面上，水冷吸附工作台上端面还设有环形密封槽，水冷吸附工作台主要分为两层，上层设有水冷室、进水孔、出水孔，水冷室中部设有密封性良好的吸附孔，进水孔与循环水泵连接，出水孔与水槽连接，循环水泵放置在水槽内，下层为负压气室，负压气室与吸附孔连通，水冷吸附工作台下端面的负压抽气孔与微型真空泵连接，射频电源通过阻抗匹配器与水冷电极连接，接地线与水冷吸附工作台上端面连接形成地电极，射频电源、阻抗匹配器、水冷电极、成型电极、水冷吸附工作台与接地线构成等离子体平板放电回路，氦气瓶、四氟化碳气瓶、氧气瓶分别通过氦气质量流量控制器、四氟化碳质量流量控制器、氧气质量流量控制器与混气阀连接，混气阀出口与进气孔连接，氦气质量流量控制器用于控制氦气流量、四氟化碳质量流量控制器用于控制四氟化碳流量、氧气质量流量控制器用于控制氧气流量。
[0008]本发明的大气等离子体化学平坦化方法是按照以下步骤实现的:
[0009]步骤一、将待加工工件置于水冷吸附工作台上端面上，将工件边沿靠紧两定位挡块确定位置，之后启动微型真空泵，借助负压吸附力固定工件。
[0010]步骤二、根据放电间隙尺寸要求调整垫片的厚度，将保持架连同组合式电极放置于台座的定位面上，并调整和固定相对位置，检查水冷吸附工作台接地是否良好。
[0011]步骤三、启动循环水泵，检查水冷电极上端盖、水冷吸附工作台的进、出水口及相关管路是否密封良好。
[0012]步骤四、打开氦气质量流量控制器、四氟化碳质量流量控制器、氧气质量流量控制器，打开混气阀，打开氦气瓶、四氟化碳气瓶、氧气瓶，其中氦气为等离子体气体，四氟化碳为反应气体，通过氦气质量流量控制器调节氦气流量为I?10L/min,通过四氟化碳质量流量控制器调节四氟化碳流量为10?200ml/min ；
[0013]步骤五、打开射频电源、阻抗匹配器，对射频电源逐步增加功率，功率控制范围为50?400瓦，调整阻抗匹配至反射功率为O ;
[0014]步骤六、控制稳定的等离子体放电至需要的驻留时间，一般为1-15分钟。
[0015]步骤七、关闭射频电源、阻抗匹配器，关闭氦气瓶、四氟化碳气瓶、氧气瓶，关闭氦气质量流量控制器、四氟化碳质量流量控制器、氧气质量流量控制器，关闭混气阀，关闭循环水泵，关闭微型真空泵；
[0016]步骤八、升起保持架，取出工件。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是本发明的大气等离子体化学平坦化装置的整体结构主视图，图2是A-A面剖视图。【具体实施方式】
[0018] 1.【具体实施方式】一:如图1、图2所示，本实施方式的大气等离子体化学平坦化装置包括氦气瓶(I)、四氟化碳气瓶(2)、氧气瓶(3)、氦气质量流量控制器(4)、四氟化碳质量流量控制器(5)、氧气质量流量控制器(6)、混气阀(7)、进气孔(8)、台座(9)、调整垫片
(10)、保持架(11)、水冷电极(12)、成型电极(14)、放电挡板(16)、阻抗匹配器(17)、射频电源(18)、接地线(19)、排气孔(20)、水冷吸附工作台(21)、密封槽(22)、微型真空泵(24)、循环水泵(25)、水槽(26)、定位挡块(27)，水冷电极(12)上设有上端盖(13)，水冷电极
(12)设置在成型电极(14)上端面上，水冷电极(12)与成型电极(14)通过螺纹紧密连接后共同设置在保持架(11)内，保持架(11)下端面与成型电极(14)下端面处于同一平面内，放电挡板(16)通过螺纹固定在保持架(11)下端面上，水冷电极(12)、成型电极(14)、放电挡板(16)共同组成组合式电极，台座(9)内设有进气孔(8)和排气孔(20)，保持架(11)设置在台座(9)内，且保持架(11)与台座(9)同轴设置以保持气流缓冲间隙(15)的间隙均匀，台座(9)与保持架(11)的轴向定位面间设有调整垫片(10)，成型电极(14)下端面须置于进气孔(8)和排气孔(20)下边缘的下方，保持架(11)设置在水冷吸附工作台(21)上端面上，水冷吸附工作台(21)上端面还设有环形密封槽(22)，水冷吸附工作台(21)主要分为两层，上层设有水冷室(21-1)、进水孔(21-3)、出水孔(21-2)，水冷室中部设有密封性良好的吸附孔(21-4)，进水孔(21-3)与循环水泵(25)连接，出水孔(21-2)与水槽(26)连接，循环水泵(25)放置在水槽(26)内，下层为负压气室(21-5)，负压气室(21-5)与吸附孔(21-4)连通，水冷吸附工作台(21)下端面的负压抽气孔与微型真空泵(24)连接，射频电源
[18]通过阻抗匹配器(17)与水冷电极(12)连接，接地线(19)与水冷吸附工作台(21)上端面连接形成地电极，射频电源(18)、阻抗匹配器(17)、水冷电极(12)、成型电极(14)、7jC冷吸附工作台(21)与接地线(19)构成等离子体平板放电回路，氦气瓶(I)、四氟化碳气瓶(2)、氧气瓶(3)分别通过氦气质量流量控制器(4)、四氟化碳质量流量控制器(5)、氧气质量流量控制器(6)与混气阀(7)连接，混气`阀(7)出口与进气孔(8)连接，氦气质量流量控制器(4)用于控制氦气流量、四氟化碳质量流量控制器(5)用于控制四氟化碳流量、氧气质量流量控制器(6)用于控制氧气流量。
[0019]利用本实施方式对工件进行加工时，可以实现对工件整个表面的全局平坦化加工或对工件表面指定区域的局部平坦化加工。
[0020]全局平坦化加工:放电挡板(16)的内孔形状和尺寸与待加工工件一致，成型电极
(14)下端面与工件表面平行，放点间隙(23)调整至合适范围，此配置可实现在整个工件表面均匀放电。
[0021]局部平坦化加工:放电挡板(16)的内孔形状和尺寸按照指定放电区域的形状和尺寸设计，成型电极(14)下端面与工件表面平行，通过调整工件位置使内孔的位置正对指定加工区域，则可实现指定区域的局部放电；若在指定加工区域还需同时实现不同的放电特性，则可将成型电极(14)下端面设计成空间曲面，通过放电距离控制放电特性。
[0022]2.【具体实施方式】二:本实施方式的成型电极(14)下端面与水冷吸附工作台(21)上端面间形成的放电间隙的距离为l_5mm。在此范围内能实现稳定的等离子体放电。其它组成及连接关系与【具体实施方式】一相同。[0023]3.【具体实施方式】三:本实施方式的水冷吸附工作台(21)的上端面设有垂直分布的两定位挡块(27)。如此设置，有利于快速定位硅晶圆、石英玻璃等商品化样片的位置。其它组成及连接关系与【具体实施方式】一或二相同。
[0024]4.【具体实施方式】四:本实施方式的水冷电极(12)的上端盖(13)设有进水孔(13-1)和出水孔(13-2)，进水孔(13-1)与循环水泵(25)连接，出水孔(13_2)与水槽(26)连接。如此设置，可以有效降低加工过程中电极的温度，有利于长时间加工。其它组成及连接关系与【具体实施方式】一、二或三相同。
[0025]本发明的大气等离子体化学平坦化方法的工作过程如下:
[0026]步骤一、将待加工工件置于水冷吸附工作台(21)上端面上，将工件边沿靠紧两定位挡块(27)确定位置，之后启动微型真空泵(24)，借助负压吸附力固定工件。
[0027]步骤二、根据放电间隙尺寸要求调整垫片(10)的厚度，将保持架(11)连同组合式电极放置于台座(9)的定位面上，并调整和固定相对位置，检查水冷吸附工作台(21)接地是否良好。
[0028]步骤三、启动循环水泵(25)，检查水冷电极上端盖(13)、水冷吸附工作台(21)的进、出水口及相关管路是否密封良好。
[0029]步骤四、打开氦气质量流量控制器(4)、四氟化碳质量流量控制器(5)、氧气质量流量控制器(6)，打开混气阀(7)，打开氦气瓶(I)、四氟化碳气瓶(2)、氧气瓶(3)，其中氦气为等离子体气体，四氟化碳为 反应气体，通过氦气质量流量控制器(4)调节氦气流量为I~10L/min，通过四氟化碳质量流量控制器(5)调节四氟化碳流量为10~200ml/min ；
[0030]步骤五、打开射频电源(18)、阻抗匹配器(17)，对射频电源(18)逐步增加功率，功率控制范围为50~400瓦，调整阻抗匹配至反射功率为O ;
[0031]步骤六、控制稳定的等离子体放电至需要的驻留时间，一般为1-15分钟。
[0032]步骤七、关闭射频电源(18)、阻抗匹配器(17)，关闭氦气瓶(I)、四氟化碳气瓶
(2)、氧气瓶(3)，关闭氦气质量流量控制器(4)、四氟化碳质量流量控制器(5)、氧气质量流量控制器(6)，关闭混气阀(7)，关闭循环水泵(25)，关闭微型真空泵(24)；
[0033]步骤八、升起保持架(11)，取出工件。
【权利要求】
1.一种大气等离子体化学平坦化方法，其特征在于:所述方法在大气压下对氦气等气体放电激发形成等离子体，通过等离子体激发四氟化碳等反应气体生成氟原子等活性反应原子，活性反应原子与工件表面原子发生化学反应生成气态产物，气态产物离开表面实现材料去除，该大气等离子体化学反应过程具有良好的选择性，工件表面上较高形貌的化学反应速率高于较低形貌的化学反应速率，因而表面微观不平度可以进一步降低，且通过过程精确控制可实现化学反应在整个反应界面上的均匀推进(各部分反应特性均一)，因而能够实现全局平坦化，另外，当对局部区域进行针对性放电加工时，也可实现局部平坦化。
2.一种大气等离子体化学平坦化装置，其特征在于:所述加工装置包括氦气瓶(I)、四氟化碳气瓶(2)、氧气瓶(3)、氦气质量流量控制器(4)、四氟化碳质量流量控制器(5)、氧气质量流量控制器(6)、混气阀(7)、进气孔(8)、台座(9)、调整垫片(10)、保持架(11)、水冷电极(12)、成型电极(14)、放电挡板(16)、阻抗匹配器(17)、射频电源(18)、接地线(19)、排气孔(20)、水冷吸附工作台(21)、密封槽(22)、微型真空泵(24)、循环水泵(25)、水槽(26)、定位挡块(27)，水冷电极(12)上设有上端盖(13)，水冷电极(12)设置在成型电极(14)上端面上，水冷电极(12)与成型电极(14)通过螺纹紧密连接后共同设置在保持架(11)内，保持架(11)下端面与成型电极(14)下端面处于同一平面内，放电挡板(16)通过螺纹固定在保持架(11)下端面上，水冷电极(12)、成型电极(14)、放电挡板(16)共同组成组合式电极，台座(9)内设有进气孔(8)和排气孔(20)，保持架(11)放置在台座(9)内，且保持架(11)与台座(9)同轴设置以保持气流缓冲间隙(15)的尺寸均匀，台座(9)与保持架(11)的轴向定位面间设有调整垫片(10)，成型电极(14)下端面须置于进气孔⑶和排气孔(20)下边缘的下方，保持架(11)设置在水冷吸附工作台(21)上端面上，水冷吸附工作台(21)上端面还设有环形密封槽(22)，水冷吸附工作台(21)主要分为两层，上层设有水冷室(21-1)、出水孔(21-2)、进水孔(21-3)，水冷室中部设有密封性良好的吸附孔(21_4)，进水孔(21-3)与循环水泵(25)连接，出水孔(21-2)与水槽(26)连接，循环水泵(25)放置在水槽(26)内，下层为负压气室(21-5)，负压气室(21-5)与吸附孔(21_4)连通，水冷吸附工作台(21)下端面的负压抽·气孔与微型真空泵(24)连接，射频电源(18)通过阻抗匹配器(17)与水冷电极(12)连接，接地线(19)与水冷吸附工作台(21)上端面连接形成地电极，射频电源(18)、阻抗匹配器(17)、水冷电极(12)、成型电极(14)、水冷吸附工作台(21)与接地线(19)构成等离子体平板放电回路，氦气瓶(I)、四氟化碳气瓶(2)、氧气瓶(3)分别通过氦气质量流量控制器(4)、四氟化碳质量流量控制器(5)、氧气质量流量控制器(6)与混气阀(7)连接，混气阀(7)出口与进气孔⑶连接，氦气质量流量控制器⑷用于控制氦气流量、四氟化碳质量流量控制器(5)用于控制四氟化碳流量、氧气质量流量控制器(6)用于控制氧气流量。
3.根据权利要求2所述的大气等离子体化学平坦化装置，其特征在于:成型电极下端面与水冷吸附工作台上端面间形成的放电间隙的距离为l_5mm。
4.根据权利要求2、3所述的大气等离子体化学平坦化装置，其特征在于:水冷吸附工作台(21)上端面设有垂直分布的定位挡块(27)。
5.根据权利要求2~4所述的大气等离子体化学平坦化装置，其特征在于:水冷电极(12)的上端盖(13)设有进水孔(13-1)和出水孔(13-2)，进水孔(13_1)与循环水泵(25)连接，出水孔(13-2)与水槽(26)连接。
6.一种利用权利要求1~5中任一权利要求所述的大气等离子体化学平坦化方法，其特征在于平坦化方法步骤如下: 步骤一、将待加工工件置于水冷吸附工作台(21)上端面上，将工件边沿靠紧两定位挡块(27)确定位置，之后启动微型真空泵(24)，借助负压吸附力固定工件。 步骤二、根据放电间隙尺寸要求调整垫片(10)的厚度，将保持架(11)连同组合电极放置于台座(9)的定位面上，并调整和固定相对位置，检查水冷吸附工作台(21)接地是否良好。 步骤三、启动循环水泵(25)，检查水冷电极上端盖(13)、水冷吸附工作台(21)的进、出水口及相关管路是否密封良好。 步骤四、打开氦气质量流量控制器(4)、四氟化碳质量流量控制器(5)、氧气质量流量控制器(6)，打开混气阀(7)，打开氦气瓶(I)、四氟化碳气瓶(2)、氧气瓶(3)，其中氦气为等离子体气体，四氟化碳为反应气体，通过氦气质量流量控制器(4)调节氦气流量为I~IOL/min，通过四氟化碳质量流量控制器(5)调节四氟化碳流量为10~200ml/min ； 步骤五、打开射频电源(18)、阻抗匹配器(17)，对射频电源(18)逐步增加功率，功率控制范围为50~400瓦，调整阻抗匹配至反射功率为O ; 步骤六、控制稳定的等离子体放电至需要的驻留时间，一般为1-15分钟。 步骤七、关闭射频电源(18)、阻抗匹配器(17)，关闭氦气瓶(I)、四氟化碳气瓶(2)、氧气瓶(3)，关闭氦气质量流量控制器(4)、四氟化碳质量流量控制器(5)、氧气质量流量控制器(6)，关闭混气阀(7)，关闭循环水泵(25)，关闭微型真空泵(24)； 步骤八、升起保持架(11·)，取出工件。
【文档编号】H01L21/3065GK103854993SQ201210524790
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2012年12月7日 优先权日:2012年12月7日
【发明者】张巨帆, 李兵 申请人:哈尔滨工业大学深圳研究生院