衬底刻蚀方法与流程

本发明涉及微电子技术领域，特别涉及一种衬底刻蚀方法。

背景技术：

与TSV技术相比，TGV(Through Glass Via，玻璃通孔)技术具有同样的优点，并且玻璃衬底(二氧化硅)因具有良好的微加工性能、电学、热机械性能以及廉价的成本，使TGV技术的优势更为突出，被誉为TSV之后最有发展前途的三维封装技术。而要实现TGV技术，其中关键的一点在于：需要在玻璃衬底上刻蚀出高深宽比、小尺寸的通孔结构。

在二氧化硅衬底上刻蚀深孔相对于浅孔刻蚀的难点在于：假设掩膜2的图形线宽为L1，如图1中的a图所示。在二氧化硅衬底1的待刻蚀表面刻蚀深孔3。随着刻蚀深度的增加，图形顶部的线宽损失会越来越大，并且图形底部的线宽收缩。当刻蚀终止时，如图1中的b图所示，图形顶部的线宽L2大于L1，而图形底部的线宽L3小于L1。

为此，现有的一种衬底刻蚀方法包括以下步骤：

沉积步骤，采用较低的衬底加热温度和较低的下电极功率在衬底和掩膜的图形表面和侧壁沉积一层聚合物钝化层，如图2A所示。

刻蚀步骤，采用较高的衬底加热温度和较高的下电极功率对图形底部进行刻蚀，如图2B所示。

反复进行上述沉积步骤和刻蚀步骤，直至达到所需的目标刻蚀深度。

上述衬底刻蚀方法在整个工艺过程中均采用C₄F₈作为刻蚀气体(刻蚀步骤中还混合有氩气)，C₄F₈在刻蚀过程中产生的聚合物会在图形的侧壁和底部沉积，以避免图形顶部的线宽损失。但是，随着刻蚀深度的增加，深孔中的刻蚀气体的进入和刻蚀反应物的排出变得相 对困难，此时由C₄F₈产生的聚合物在图形的侧壁和底部沉积反而会导致深孔底部的线宽收缩，甚至导致刻蚀终止，从而无法达到工艺所需的刻蚀深度和形貌。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种衬底刻蚀方法，其可以不仅可以避免图形顶部的线宽损失，而且还可以获得的深孔满足工艺对刻蚀深度和形貌的要求。

为实现本发明的目的而提供一种衬底刻蚀方法，用于在二氧化硅衬底的待刻蚀表面刻蚀深孔，包括以下步骤：

沉积步骤，采用碳氟类气体作为沉积气体在图形侧壁和底部沉积一层聚合物；

刻蚀步骤，采用刻蚀产物为气体的含氟类气体作为主刻蚀气体以及惰性气体作为辅助气体进行各向异性刻蚀，以增加刻蚀深度；

循环进行所述沉积步骤和所述刻蚀步骤，直至达到所需的总刻蚀深度。

优选的，所述刻蚀产物为气体的含氟类气体包括SF₆。

优选的，所述刻蚀步骤采用的衬底加热温度与所述沉积步骤采用的衬底加热温度一致。

优选的，所述衬底加热温度的取值范围在0～40℃。

优选的，在所述刻蚀步骤中，腔室压力的取值范围在5～15mT。

优选的，在所述刻蚀步骤中，下电极功率的取值范围在300～800W。

优选的，在所述刻蚀步骤中，所述刻蚀产物为气体的含氟类气体的气体流量的取值范围在100～400sccm。

优选的，所述惰性气体包括氩气或氦气。

优选的，在所述刻蚀步骤中，所述惰性气体的气体流量的取值范围在50～200sccm。

优选的，在所述沉积步骤中，所述碳氟类气体包括C₄F₈或者C₅F₈。

优选的，在所述沉积步骤中，所述碳氟类气体的气体流量的取值范围在100～400sccm。

优选的，在所述沉积步骤中，下电极功率为零。

优选的，在所述沉积步骤中，腔室压力的取值范围在20～70mT。

优选的，在所述刻蚀步骤和所述沉积步骤中，上电极功率的取值范围在1500～3000W。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供的衬底刻蚀方法，其在刻蚀步骤中采用刻蚀产物为气体的含氟类气体作为主刻蚀气体以及惰性气体作为辅助气体，由于含氟类气体和惰性气体的刻蚀产物均为气体，更容易自深孔中排出，从而可以出现深孔底部的线宽收缩，甚至刻蚀终止的现象，进而可以保证深孔的刻蚀深度和形貌满足要求。而且，由含氟类气体和惰性气体形成的等离子体的刻蚀具有方向性，这可以实现各向异性刻蚀，从而有利于增加刻蚀深度，而且由于深孔侧壁上沉积的聚合物(由沉积步骤获得)的去除速度比深孔底面上沉积的聚合物的去除速度慢，这可以起到保护深孔侧壁的作用，从而可以减小图形顶部的线宽损失。

附图说明

图1为在二氧化硅衬底上刻蚀深孔的过程示意图；

图2A为现有的衬底刻蚀方法中完成沉积步骤之后获得的衬底图形的示意图；

图2B为现有的衬底刻蚀方法中完成刻蚀步骤之后获得的衬底图形的示意图；

图3为本发明提供的衬底刻蚀方法的流程框图；

图4A为采用本发明提供的衬底刻蚀方法完成沉积步骤之后获得的衬底图形的示意图；以及

图4B为采用本发明提供的衬底刻蚀方法完成刻蚀步骤之后获得的衬底图形的示意图。

具体实施方式

为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图来对本发明提供的衬底刻蚀方法进行详细描述。

图3为本发明提供的衬底刻蚀方法的流程框图。请参阅图3，本发明提供的衬底刻蚀方法，用于在二氧化硅衬底的待刻蚀表面刻蚀深孔，包括以下步骤：

沉积步骤S1，采用碳氟类气体作为沉积气体在图形侧壁和底部沉积一层聚合物。

刻蚀步骤S2，采用刻蚀产物为气体的含氟类气体作为主刻蚀气体以及惰性气体作为辅助气体进行各向异性刻蚀，以增加深孔的刻蚀深度。

循环进行沉积步骤S1和刻蚀步骤S2，直至达到所需的总刻蚀深度。

在沉积步骤中，如图4A所示，采用碳氟类气体在二氧化硅衬底10的上表面(待刻蚀表面)以及掩膜20的图形表面和侧壁均沉积一层聚合物30。碳氟类气体包括C₄F₈或者C₅F₈等等。碳氟类气体的气体流量的取值范围在100～400sccm，优选的，在200～400sccm。掩膜20可以为金属掩膜，例如镍或者铬等。

在刻蚀步骤中，刻蚀产物为气体的含氟类气体包括SF₆，惰性气体包括氩气或氦气等等。含氟类气体的气体流量的取值范围在100～400sccm，优选在200～400sccm。惰性气体的气体流量的取值范围在50～200sccm，优选在80～150sccm。

由于含氟类气体和惰性气体的刻蚀产物均为气体，更容易自深孔中排出，从而可以出现深孔底部的线宽收缩，甚至刻蚀终止的现象，进而可以保证深孔的刻蚀深度和形貌满足要求。而且，由含氟类气体和惰性气体形成的等离子体的刻蚀具有方向性，这可以实现各向异性刻蚀，从而有利于增加刻蚀深度，而且由于深孔侧壁上沉积的聚合物的去除速度比深孔底面上沉积的聚合物的去除速度慢，如图4B所示，在深孔侧壁上还存在剩余的沉积的聚合物30，而深孔底面上沉积的聚合物已完全被去除，这可以起到保护深孔侧壁的作用，从而可以减小图形顶部的线宽损失。

另外，由于在现有技术中，沉积步骤采用较低的衬底加热温度(0℃)，而刻蚀步骤采用较高的衬底加热温度(40℃)，在切换沉积步骤和刻蚀步骤时，在0℃和40℃两个温度点之间进行切换所需等待的时间较长，导致平均刻蚀速率严重降低，不适合工艺量产，而且还会影响用于加热衬底的静电卡盘的寿命。为此，优选的，在本发明提供的衬底刻蚀方法中，通过使刻蚀步骤采用的衬底加热温度与沉积步骤采用的衬底加热温度一致，在切换沉积步骤和刻蚀步骤时，无需进行温度的切换，从而可以提高刻蚀效率，满足工艺量产的要求。优选的，在沉积步骤和刻蚀步骤中，衬底加热温度的取值范围在0～40℃，优选在10～20℃。

优选的，在刻蚀步骤中，采用较低的腔室压力，可以提高粒子的平均自由程，粒子的方向性较好，从而更有利于实现垂直方向上的刻蚀。腔室压力的取值范围在5～15mT，优选在5～10mT。在沉积步骤中，采用较高的腔室压力，可以提高粒子密度，从而有利于增强沉积效率。腔室压力的取值范围在20～70mT，优选在30～50mT。

此外，在刻蚀步骤中，采用较高的下电极功率有利于增强粒子的能量，从而获得较高的刻蚀速率。下电极功率的取值范围在300～800W，优选在500～800W。在沉积步骤中，采用较低的下电极功率有利于由碳氟类气体与二氧化硅衬底发生反应产生的碳氟类聚合物沉积在图形表面和侧壁上。优选的，下电极功率为零。

另外，在刻蚀步骤中，采用较高的上电极功率，可以提高等离子体的密度，从而可以提高刻蚀效率。而在沉积步骤中，采用较高的上电极功率，可以提高沉积效率。在刻蚀步骤和沉积步骤中，上电极功率的取值范围在1500～3000W，优选的，在2000～2500W。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。