蚀刻装置和蚀刻方法与流程

本发明涉及一种蚀刻装置和一种蚀刻方法。

尽管可以在任意的结构上使用，但是本发明和其所基于的问题参照硅中的微机械结构来阐述，在该微机械结构中去除牺牲层。

背景技术：

硅基的微机械构件、例如传感器或微镜通常由一个或多个能导电的硅功能层组成。显示为mems(micro-electromechanicalsystem，微机电系统)的可运动部分的功能层区域直接位于牺牲层上。而不可运动的区域则没有牺牲层地直接接合在衬底上。通过适合的悬挂使可运动区域与固定区域相互连接。在加工过程结束时借助于适合的各向同性的蚀刻方法选择性地去除牺牲层，由此使构件能够发挥功能。在此，经常不能使用湿化学方法，因为在接下来干燥mems结构时产生非常邻近的功能元件的粘接。必需的是等离子支持的或者无等离子的各向同性的蚀刻方法，仅仅气体的析出物和产品参与该蚀刻方法。

不同形式的氧化硅是常用的牺牲层材料。由于由氧化硅与硅组合作为功能材料的极限层压力能够实现非常薄的牺牲层(通常在0.1-2μm范围内)。在这里例如借助于hf气相蚀刻可以实现选择性去除牺牲层。但是在此蚀刻率是受限的，由此限制了最大可使用的牺牲层体积。

已知的变型方案使用外延多晶硅作为牺牲材料。在此高的沉积率有助于构造大体积牺牲结构。已知各向同性的蚀刻方法，通过它们能够以非常高的蚀刻率去除牺牲结构。为此等离子支持的和无等离子的蚀刻方法都是适用的。在两种情况下可以以相对于常见的掩膜材料如氧化硅、氮化硅、铝或光漆更高的选择性来蚀刻多晶硅。

重点特别在于3d-mems结构，在这些3d-mems结构中功能结构和牺牲结构由相同的材料(例如由外延多晶硅)组成。在这里，功能结构通过适合的钝化材料(例如sio2)在所有表面上保护免受蚀刻作用。如果使用这种技术，则可以产生侧面和垂直远距离伸展的埋入的任意复杂度的牺牲结构。那么产生大的需求，即，在各向同性的蚀刻步骤中完全去除牺牲结构。

等离子支持的与无等离子的蚀刻方法是完全不同的。纯化学的无等离子蚀刻非常好地适用于去除埋入的牺牲材料。化合物如xef2、clf、clf3、clf5、brf3、brf5、if7自发地蚀刻硅，而常见的掩膜材料如sio2、sin4、sion、富含硅的氮化物或者金属如铝只能非常缓慢地蚀刻(选择性直到1000)。在这里在非常窄的牺牲结构(＜1μm)中也可以实现高的下蚀刻宽度。在相对于掩膜中的进入开口距离大的情况下蚀刻率也几乎保持恒定。蚀刻率与进入开口的大小同样几乎没有相关性。但是蚀刻率经常通过所使用的化学物质的蒸发压力受到限制(对于xef2只约为3毫米汞柱)。如果过多牺牲材料外露，则蚀刻率剧烈下降。换言之，体积蚀刻率低(一般是11mm³/min)。如果要蚀刻具有大体积的牺牲结构和＞10％的大外露面积的mems构件，则必须考虑长的蚀刻时间。

具有氟化合物如f2、sf6、cf4或nf3的等离子支持的各向同性蚀刻同样适用于去除埋入的牺牲材料。在此通过等离子激活氟化合物，游离的氟自由基自发地蚀刻硅并且无需通过离子轰击的附加激活能量。

掩膜材料如sio2、sin4、sion、富含硅的氮化物或者金属如铝只能非常缓慢地蚀刻(选择性＞1000)。只有通过离子轰击输入激活能量才能以较高的蚀刻率去除这些材料。在蚀刻硅时能够实现非常高的体积蚀刻率(例如＞500mm³/min)，但是蚀刻率随着相对于进入开口距离的增加而降低。这原因在于，自由基不仅与硅表面反应，而且也与自身反应，由此使浓度降低，并且由此随着下蚀刻宽度增加蚀刻率降低。此外，蚀刻率剧烈地取决于进入开口的大小。入口越小，蚀刻率越低。相应地，蚀刻率也在牺牲结构变窄的情况下剧烈降低。如果要蚀刻具有大体积的牺牲结构和＞10％的大外露表面的mems构件，则可以借助于等离子支持的方法在短的蚀刻时间中清除大部分牺牲硅，只要不存在＜20μm的小蚀刻入口的限制。

如果使用与任意的钝化材料相结合的硅作为牺牲材料，则必须在牺牲层蚀刻之前使掩膜结构化。在此硅外露。在空气中在硅表面上总是形成薄的自然氧化硅膜(约5nm)。为了开始蚀刻牺牲层，必须首先以适合的方式去除这种自然氧化物。对此等离子支持的或无等离子的蚀刻方法仍然是适合的。如果钝化材料是sio2，通常借助于cf4等离子结合对准的离子轰击打开。在此可以在蚀刻牺牲层之前的短时间内选择性地去除表面上的自然氧化物。同样可以使用短时间的各向同性的hf气相蚀刻步骤。在此选择性并且各向同性地去除氧化物。如果要在蚀刻牺牲层期间出现中断并且晶片位于空气中，则也在埋入的牺牲硅上在蚀刻正面上形成自然氧化物。这在再接收牺牲层蚀刻时可能导致蚀刻延迟，或者甚至导致蚀刻进程完全停顿。为了避免这一点，目前可以不再通过等离子支持的方法加工，因为在埋入的结构上不能离子轰击。为了实现补救，仅仅保留各向同性的无等离子的蚀刻步骤，例如对于作为钝化的so2的hf气相蚀刻。

由于该事实，原则上在结合等离子支持的和无等离子的蚀刻方法的情况下提供牺牲层蚀刻。

在现有技术中，通常提供用于无等离子的(例如de19840437a1)或等离子支持的蚀刻的独立模块。然后所述模块可以通过操纵系统相互连接。在此能够首先在等离子模块中处理晶片。在此可以打开表面上的自然氧化物，并且启动各向同性的等离子支持的牺牲层蚀刻。在结束蚀刻以后必须卸载晶片并且输运到下一蚀刻模块中。然后在这里可以借助于无等离子的蚀刻方法进行另一牺牲层蚀刻。如果要由于任意的原因导致在埋入的牺牲材料上形成自然氧化物，则必须再卸载晶片，并且输运到第三模块中，该第三模块适用于去除自然氧化物，例如hf气相蚀刻。在此产生用于至少三个蚀刻模块和操纵系统的高成本，以便能够使晶片在各个工艺步骤之间保持在真空中。此外，由于多个独立的蚀刻和操纵步骤导致长的过程持续时间和错误可能性的分布，因为所有模块必须同时可供使用。此外，存在增加的维护成本(因为必须维护四个设备部分)、由于四个不同的设备部分通过实际上不同的软件控制带来的复杂化以及由于多次操纵带来的增加的损坏产品的危险。

在us6221784b1中已经描述了蚀刻模块，在该蚀刻模块中要组合等离子支持的和无等离子的蚀刻。在这里明确地涉及区分有用材料与牺牲材料的结构。没有使用等离子激活的种类来以高蚀刻率各向同性地蚀刻的可能性。同样没有借助于气态hf去除在蚀刻正面上的埋入的自然氧化物的可能性。

技术实现要素：

本发明实现一种根据权利要求1、2或3所述的蚀刻装置和一种根据权利要求11、12或13所述的蚀刻方法。

优选的扩展方案是对应从属权利要求的主题。

本发明基于的思想在于，等离子支持的和无等离子的蚀刻方法有效地组合在一个蚀刻装置上，其中，等离子支持的和无等离子的蚀刻不仅能够各向同性地而且能够各向异性地取向。

为了尤其在无等离子蚀刻时实现优化的蚀刻条件，设置可移动的气体喷嘴分布设备(喷洒头)或者说可移动的卡盘。因此，通过调节相对于晶片表面的距离，与等离子支持的蚀刻过程相比能够优化无等离子的蚀刻过程。

在唯一的蚀刻步骤中例如下面的工艺步骤是可能的：

-各向异性地打开在结构表面上的钝化物sio2、sin4、sion、富含硅的氮化物或者金属如铝；

-借助于溅射或者气态hf各向异性地或各向同性地去除结构表面上的硅上面的和也在埋入的硅上面的自然sio2；

-借助于等离子激活的种类如氟、氯或溴-自由基各向同性地蚀刻牺牲硅；

-借助于化学激活的种类如xef2、clf、clf3、clf5、brf3、brf5、if5、if7各向同性地蚀刻牺牲硅；

-各向同性地沉积由c4f8组成的等离子聚合物。

根据本发明的蚀刻装置可以通过在现有的等离子模块上安装用于不同的蚀刻气体的附加的适合的气体管道和致动器实现。气体经过气体喷嘴分布设备流入到蚀刻腔中，在等离子蚀刻模块中经过等离子线圈或者说在非等离子模块中由较近距离处遇到晶片表面。在吸附之后开始与相应的材料发生反应。在开始下一工艺步骤之前，可以通过高真空泵吸出反应产物和多余的反应气体。

通过交替地蚀刻和钝化可以实现例如沟道蚀刻。根据本发明的蚀刻装置尤其适用于以非常高的蚀刻率从mems构件中各向同性地去除大体积的牺牲结构，在这些mems构件中牺牲材料和功能材料都由硅组成。通过使用气态hf可以去除埋入的自然氧化物，由此防止蚀刻延迟。

根据优选实施方式，蚀刻腔的内壁是可以调节温度的。因此能够根据蚀刻模块和蚀刻气体组份调节优化的工艺条件。

根据另一优选实施方式，设置有可控制的气体供给设备，借助于该气体供给设备可以给蚀刻腔输送不同的蚀刻气体。由此能够自动地调节不同的蚀刻过程。

根据另一优选实施方式，蚀刻气体可以选择式地脉冲或连续地输送。由此能够对于蚀刻气体输送调节相对应优化的条件。

根据另一优选实施方式，卡盘可以借助于偏压设备被带到预给定的电位。由此能够有选择地实现溅射效果。

根据另一优选实施方式，设置有控制设备，借助于该控制设备可以自动地控制蚀刻气体组份和蚀刻模式。这能够实现蚀刻过程的速度优化。

根据另一优选实施方式，等离子产生设备具有包围所述区域的线圈设备。由此能够有利地形成等离子。

根据另一优选实施方式，所述区域形成蚀刻腔的变窄处。由此能够达到等离子的高能量密度。

附图说明

下面参照在示意图中给出的实施例详细阐述本发明。

附图示出：

图1示意横剖面图，用于阐述根据本发明的第一实施方式的蚀刻装置和相应的蚀刻方法；

图2示意横剖面图，用于阐述根据本发明的第二实施方式的蚀刻装置和相应的蚀刻方法；和

图3示意横剖面图，用于阐述根据本发明的第三实施方式的蚀刻装置和相应的蚀刻方法。

具体实施方式

在附图中相同的附图标记表示相同的或者说功能相同的元件。

图1示出示意横剖面图，用于阐述根据本发明的第一实施方式的蚀刻装置和相应的蚀刻方法。

在图1中，附图标记1表示蚀刻腔，在该蚀刻腔内部布置卡盘c，在该卡盘上使具有表面of的要蚀刻的衬底s夹紧。例如借助于抽吸喷嘴或机械夹紧设备实现夹紧。蚀刻腔1的宽度适宜地只略微大于卡盘c的直径，以便实现适合的蚀刻气体密度。

在蚀刻腔1上连接用于产生所期望的过程压力和泵出蚀刻气体的泵设备p，尤其当需要更换蚀刻气体时。卡盘c借助于电导线l’通过电容设备c’连接到偏压设备b上，该偏压设备的另一侧接地电位gnd。如果期望溅射效应，偏压设备b用于将所期望的电位施加到卡盘c上。卡盘优选是可以调节温度的，例如在-10℃至100℃的温度范围中。

蚀刻腔1的内壁i同样是可以调节温度的，例如在同样的-10℃至100℃的温度范围中。蚀刻腔1在上部区域中具有变窄的区域1a，该区域被等离子产生设备c包围，该等离子产生设备包括圆形的线圈设备，该线圈设备通过电导线l和电容设备c与无线频率产生设备rf连接，该无线频率产生设备位于地电位gnd上。

附图标记10表示气体喷嘴分布设备，该气体喷嘴分布设备布置在变窄的区域1a的上端部上并且通过其导入蚀刻气体，该蚀刻气体由气体供给设备g通过管道设备lg输送。管道设备lg同样可以在-10℃至100℃的温度范围中调节温度。

气体供给设备g连接到多个(未示出的)气体源上，由该气体源可以分别提取出所需的蚀刻气体。通过附图标记st表示的控制设备负责自动地选择所需的气体源或者说蚀刻气体源，并且还用于根据所选择的蚀刻模式调整气体喷嘴分布设备10，下面详细描述该蚀刻模式。

气体喷嘴分布设备10这样布置在卡盘c上方，使得蚀刻气体气流gs基本垂直地对准要蚀刻的衬底s的表面of。

该气体喷嘴分布设备可以通过(未示出的)致动设备这样关于要蚀刻的衬底表面of移动，使得它在等离子蚀刻模式中以相对于表面of的这样的第一距离布置：使得蚀刻气体气流gs经过被等离子产生设备c包围的变窄的区域1a走向。因此，由此产生的所选择的蚀刻气体被等离子产生设备激活，然后达到要蚀刻的衬底s的表面of。

而在非等离子蚀刻模式中，气体喷嘴分布设备10向着衬底表面of的方向经过由等离子产生设备c包围的变窄的区域1a移动，使得该等离子产生设备位于相对于表面of的较小的第二距离，这对于各向同性的蚀刻引起更好的蚀刻条件，因为蚀刻体积变小。

这种可移动性通过双箭头以附图标记v示意性地表示。

因此，通过控制设备st相应的编程能够建立交替的、具有不同的蚀刻气体的无等离子的和等离子支持的蚀刻循环。

对于无等离子的蚀刻可以使用xef2(二氟化氙)、clf(氟化氯)、clf3(三氟化氯)、clf5(五氟化氯)、brf3(三氟化溴)、brf5(五氟化溴)、if5(五氟化碘)、if7(七氟化碘)作为蚀刻气体。

对于等离子支持的蚀刻例如可以使用f2(氟气)、sf6(六氟化硫)、cf4(四氟化碳)、chf3(三氟碳氢)、ch2f3(三氟碳二氢)、c2f6(六氟化二碳)、c3f8(八氟化三碳)或nf3(三氟化氮)等。上述的蚀刻过程尤其适用于蚀刻牺牲层。

例如可以通过无水hf气体、异丙醇等实现埋入的自然sio2的各向同性的打开。例如借助于c4f8(八氟化四碳)能够实现聚合物钝化。

作为其他蚀刻气体可以考虑ar(氩气)、n2(氮气)、o2(氧气)、h2(氢气)、cl2(氯气)、br2(溴气)、i2(碘气)、hcl(氯化氢气体)、hbr(溴化氢气体)、hi(碘化氢气体)等。

适宜的是，所有蚀刻过程能够在连续流或者脉冲流的条件下实现。

在衬底s上方的等离子产生设备c一般具有相对于表面of为30cm的距离。

此外，能够实现在z高度方向上可移动的用于衬底s边缘的保护环(未示出)。

此外，能够实施对于整个蚀刻步骤的视觉终点识别。

图2示出示意横剖面图，用于阐述根据本发明的第二实施方式的蚀刻装置和相应的蚀刻方法。

与上述的第一实施方式不同，根据第二实施方式设置有第一气体喷嘴分布设备10a和第二气体喷嘴分布设备10b。

与第一实施方式不同，第一气体喷嘴分布设备10a静止地设置在等离子产生设备c上方。

第二气体喷嘴分布设备10b设置在蚀刻腔1的侧面夹室1b中并且具有沿着通过双箭头表示的方向、即在图中的水平方向上的可移动性v’。该气体喷嘴分布设备通过导线设备lg’与第二气体供给设备g’连接。

在等离子支持的蚀刻中，第二气体喷嘴分布设备10b位于夹室1b中并且不激活。

而在无等离子的蚀刻中，第一气体喷嘴分布设备10a不激活并且第二气体喷嘴分布设备10b在水平方向上这样在衬底表面of上方移动，使得由它出发的蚀刻气体气流gs基本垂直地对准要蚀刻的衬底s的表面of。

相应地改型的控制设备st’在该第二实施方式中负责通过气体供给设备g、g’提供蚀刻气体并且负责第二气体喷嘴分布设备10的可移动性，使得通过该布置可以实现与上述第一实施方式相同的效应。

图3示出示意横剖面图，用于阐述根据本发明的第三实施方式的蚀刻装置和相应的蚀刻方法。

在第三实施方式中，布置在等离子产生设备上方的气体喷嘴分布设备10同样是静止的，但是卡盘c能够在移动方向v”上这样调节，使得衬底s在无等离子蚀刻过程中可以更靠近气体喷嘴分布设备10。因此，在该实施方式中也可以实现与在上述的第一和第二实施方式中同样的效果，即，减小在无等离子蚀刻时的蚀刻体积。

尽管参照优选实施方式描述了本发明，但是本发明不受此限制，而是可以具有各种变型。

尤其可能的是，气体喷嘴分布设备和卡盘都可调节地构型，以便例如还进一步减小在无等离子蚀刻时的蚀刻体积。

本发明也不局限于上面列举的蚀刻气体，而是原则上可以应用任意的蚀刻气体或者说钝化气体。

此外也可能的是，将本发明应用到蚀刻腔上，在该蚀刻腔中同时蚀刻多个衬底。