专利名称：应用腐蚀液的超声波辅助蚀刻的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种应用超声化学蚀刻工件的方法，以及用于实施本发明的系统。
背景技术：
在许多现代工业工艺中对材料进行均匀地蚀刻是必不可少的。蚀刻可以仅限制于材料内，或者蚀刻工艺可以一直进行直到将材料刻穿，从而暴露出其下面的材料。在许多工业应用，诸如电子、光学和光电工件的制造中，由于蚀刻工艺通常决定了最终制造出的工件的精度，因此蚀刻步骤是工件制造的关键阶段。
在半导体芯片的制造过程中通常存在有一百多个工艺步骤，其中包括氧化、扩散、离子注入、导体和绝缘体的沉积、光刻和蚀刻。各种导体和绝缘体层以几微米的厚度均匀沉积在整个晶圆上。在关键应用中，在安装和使用前要对某些新的或者使用过的半导体工艺设备部件进行洁净，以去除来自初始制造或者生产工艺或者来自工艺步骤的残留污染物，从而实现与半导体晶圆本身一样的洁净级并恢复其表面形态。而且，在处理许多晶圆后，半导体处理工艺中使用的设备受到污染或者沉积物不断增加并因此变得不可用。
例如，在蚀刻机中，在电极的外围或者支撑晶圆的卡盘上不断沉积聚合物直到其厚度足以干扰晶圆和电极的接触。这导致整个晶圆上的蚀刻不均匀并且由于晶圆粘在电极上不断集结的聚合物上导致出现传输失误。不均匀度超过7％即超过了某些规格限度，并会影响整个晶圆的侧壁形状变化。此外，在设备腔室中的其他部件，例如室顶/圆顶和衬料(liner)也覆盖有聚合物以及污染物，它们带给晶圆颗粒、金属的和有机的杂质。因此，必须拆卸该设备腔室中的部件并清洗各单独部件。用于制造半导体器件的大多数干法工艺设备采用伴随高温、等离子体和气体混和物的工艺进行薄膜沉积和蚀刻。在这些制造工艺中，有机和无机副产物沉积在工件部件的表面上。
某些蚀刻工件的设备和装置可从市场上获得，但是这些都不够理想。图1所示为用于超声蚀刻半导体制造工件102的现有技术的代表性小型装置100。将酸性溶液110放入内部容器104中，通过超声波振荡容纳在外部容器130中的水溶液120。整个装置包含在排气罩150内，该排气罩150用于收集随着蚀刻反应的发生从水溶液和酸性溶液中排放的气体140。尽管比不包括浓酸或者超声发生器的早期蚀刻工艺具有一定的进步，但是装置100没有旋转工件102的能力或者建立安全工作条件的能力。装置100也不具有容纳气体或者在蚀刻工艺中防止不需要的成分，例如来自环境的杂质、来自水溶液中的气雾，进入蚀刻溶液的能力，或者提高挥发蚀刻溶液局部压力以及防止蚀刻溶液由于水雾或者挥发损失引起浓度变化的能力。而且还缺乏为了更好地控制蚀刻工艺，用于调节温度的加热装置和探针等以及用于缓冲和扩散能量的超声波缓冲器。
图2所示的现有技术装置200包括两个烧杯202和204，两烧杯中包含去离子水，通过开口206提供，并且溢流进入前述烧杯，然后溢流进入声波槽210中。将超声换能器220(ultrasonication transducer)连接到功率振荡器220上以向前述去离子水提供超声波能量。该装置缺少许多需要的特征，最主要的是缺乏容纳酸的能力、声波处理时旋转工件的能力、加热装置以及超声波扩散器。
在此引入美国专利No.6,199,563作为参考，该专利通过提供旋转装置用于声波处理酸性溶液中的工件，对于现有技术的超声波发生器加入了适当的改进，但是没有提供容纳酸性气体的装置、防止来自水溶液和/或旋转装置损耗带来的不必要的污染物进入酸性溶液的装置、提高酸性溶液局部压力的能力或者提供更安全工作环境的能力。
这里所需要的是一种方法和装置，其可以用于容纳在超声波振荡期间所产生的气体，最小化地减少蚀刻溶液暴露到周围环境从而在蚀刻工艺期间防止来自水溶液和/或旋转装置损耗带来的不必要的污染物进入蚀刻溶液，具有提高蚀刻溶液局部压力的能力从而通过保持蚀刻溶液浓度稳定、保持有害气体处于液态来防止形成危险的蒸汽，并且具有提供安全工作环境的能力。本发明通过提供多个比现有装置更有效、无污染的装置以及方法来满足这些需要，从而使得可以有效地洁净并回收利用半导体工件以减少制造成本。
发明内容
因此，一方面，本发明的目的在于提供超声波蚀刻装置用于化学蚀刻工件。在一个实施例中，化学物质为酸。作为替代，化学物质为碱。本发明的装置包括至少部分填充有水溶液的外槽，和具有耐化学腐蚀的聚合物并且至少局部地设置于外槽内并与水溶液接触的内槽。内槽中至少部分地填充有至少一公升酸性或者碱性溶液，该溶液的总酸度或者总碱度至少为10％wt，并且内槽至少具有侧壁、底部以及限定的上口，并可以接纳工件。该装置中还包括与内槽的口啮合的盖，和与外槽耦接以将超声波能量传递给内槽中的酸性溶液的超声换能器。
在一实施例中，上述盖的重量在内槽口和盖下表面之间产生了至少局部的密封。在相关实施例中，该局部的密封用来提高蚀刻溶液上方气体的局部压力和/或防止导致化学溶液成分变化的化学气体逸出。
在本发明另一实施例中，上述装置包括用于调节水溶液温度的加热元件。
在再一实施例中，上述装置包括在设置于内槽中的工件和超声换能器之间传递相对运动的机构。在一实施例中，该机构包括一直延伸到盖并与工件连接的杆。
在又一实施例中，上述装置包括位于槽上部并容纳由水溶液和蚀刻溶液其中至少之一产生的气体的排气罩。
在再一实施例中，一超声波缓冲器设置在水溶液中，用于缓冲和/或扩散传递给酸性溶液的声能量。
在本发明的一实施例中，超声换能器位于水溶液的外面并与功率振荡器有效连接。
在本发明的另一实施例中，在蚀刻溶液内设置有探针，用于监控超声波能量、温度、温度变量和杂质浓度中的一个或者多个。
在另一实施例中，水溶液为经过滤并循环的去离子水浴。
优选的，上述蚀刻溶液基本上为静态的。
在一实施例中，内槽以及任何可以和蚀刻溶液接触的旋转机构部分均包括耐化学腐蚀的聚合物材料，该材料选自含氟树脂和高密度聚乙烯等物质。
在另一实施例中，内槽产生小于10ppb的可滤去的污染物和10ppm的可滤去的阴离子和有机污染物。
在再一实施例中，蚀刻溶液为酸性并且包括选自由氢氟酸、硝酸和盐酸构成的组中的化学物质。在相关实施例中，前述酸性溶液为比例为1∶1∶1的氢氟酸、硝酸和水。作为替代，该蚀刻溶液为碱性并且包括选自由氢氧化钠和氢氧化钾构成组中的化学物质。
在又一实施例中，水溶液的温度保持在约20℃到约50℃。
在又一实施例中，前述工件选自由金刚砂、石英和硅构成的材料的组。
在本发明的一实施例中，前述旋转机构包括一旋转转动驱动器用于围绕一轴旋转前述衬底。在相关实施例中，前述轴是基本上水平的轴。作为替代，前述轴是基本上垂直的轴。
在另一实施例中，前述旋转机构包括用于旋转内槽和/或超声换能器的旋转转动驱动器。
在再一实施例中，前述盖具有与内槽口横截面基本上一样的横截面。
在又一实施例中，前述内槽口和盖均具有与前述盖的横截面相对应的圆形形状。
在再一实施例中，前述内槽的横截面与工件的横截面基本上一样。
在又一实施例中，前述内槽口具有正方形、矩形、三角形、圆形或者椭圆形的形状。
在另一实施例中，前述装置的内槽形状为矩形平行管、立方体或者圆柱体。
因此，根据本发明的一方面，本发明的另一目的是提供一种超声波化学蚀刻工件的方法。实施前述方法的步骤包括提供具有内表面的内槽，该内槽包括耐化学腐蚀的聚合物，限定有上口并且该上口可接纳前述工件，其中前述内槽至少部分地设置在外槽内，前述外槽至少部分地填充有水溶液，向前述内槽中填充至少1公升的蚀刻溶液，该溶液的总酸度或者碱度至少为10％，将前述工件浸没在前述蚀刻溶液中，通过盖覆盖前述内槽以密封蚀刻溶液并提高蚀刻溶液上方的局部压力，使得蚀刻溶液的化学浓度基本上保持不变；通过耦接到外槽上的超声换能器超声振荡前述蚀刻溶液以加速前述工件的蚀刻。
在前述方法的一实施例中，前述盖的重量至少可以产生使前述内槽口和前述盖下表面之间的局部密封。
在另一实施例中，上述方法包括提供用于调节前述水溶液温度的加热元件。
在再一实施例中，前述方法包括提供适于在浸没于内槽中的工件和超声换能器之间传递相对运动的机构。
在又一实施例中，前述机构包括一直延伸到盖并耦接到工件上的杆。
在又一实施例中，前述方法还包括提供排气罩，该排气罩位于前述槽的上方并容纳由水溶液和蚀刻溶液至少其中之一产生的气体。
在一实施例中，前述方法包括位于水溶液内的超声缓冲器，用于缓冲和/或扩散传递给蚀刻溶液的声能量。
在另一实施例中，将前述超声换能器位于水溶液的外面，并与功率振荡器有效连接。
在再一实施例中，前述方法还包括提供位于蚀刻溶液中的探针，用于监控超声波能量、温度、温度变量和杂质浓度中的一个或者多个。
在又一实施例中，前述水溶液为过滤后的并且循环的去离子水浴。
在又一实施例中，前述蚀刻溶液为基本上静态的。
在一实施例中，前述内槽以及可以和蚀刻溶液接触的前述机构的任何部分均包括耐化学腐蚀的聚合物材料，该材料选自由含氟树脂和高密度聚乙烯构成的组中。
在另一实施例中，前述内槽产生低于10ppb的可滤去的金属污染物以及10ppm可滤去的阴离子和有机污染物。
在再一实施例中，前述蚀刻溶液包括选自由氢氟酸、硝酸和盐酸构成的组中的酸。在相关实施例中，蚀刻溶液包括比例为1∶1∶1的氢氟酸、硝酸和水。
在又一实施例中，前述蚀刻溶液包括选自由氢氧化钠和氢氧化钾构成的组中的碱。在相关的实施例中，前述蚀刻溶液包括30％的氢氧化钾。
在再一实施例中，前述水溶液的温度保持在大约20℃到大约50℃。
在一实施例中，前述工件可以是金刚砂、石英或者硅。
在另一实施例中，前述机构包括用于围绕轴旋转衬底的旋转转动驱动器。
在再一实施例中，前述轴是基本上水平的轴。另外，根据另一实施例，前述轴是基本上垂直的轴。
在一实施例中，前述机构包括用于旋转内槽和/或超声换能器的旋转转动驱动器。
在另一实施例中，前述盖的横截面和前述内槽口的横截面基本上相同。
在再一实施例中，前述内槽口和前述盖均具有与前述盖的横截面相对应的圆形形状。
在又一实施例中，前述内槽的横截面与前述工件的横截面基本上相同。
结合附图阅读本发明的详细说明可以更充分的理解本发明的这些和其它目的和特征。
图1所示为现有技术超声酸蚀刻装置示图；图2所示为现有技术超声水洗溢流装置示图；图3a所示为根据本发明一实施例使用酸或者碱蚀刻腔室部件或者其他工件的装置示图；图3b所示为根据本发明一实施例表示局部压力提高的内槽示图；图4所示为根据本发明一实施例用于支撑工件外围的夹具示图；图5a所示为根据本发明一实施例表示图4的螺钉头部的放大示意图；图5b所示为根据本发明另一实施例表示图4的带有槽的螺钉头部的放大示意图；图6a所示为根据本发明一实施例用于围绕基本上垂直的轴旋转工件的机构示图；图6b所示为根据本发明另一实施例用于围绕基本上水平的轴旋转工件的机构示图；以及图7所示为根据本发明超声酸蚀刻工件工艺的流程图。
具体实施例方式
I.定义除非另有说明，这里所应用的所有技术和科技术语都和熟悉本发明领域的技术人员所理解的术语具有同样的意义。应该理解本发明不限于所述的具体方法、协议和试剂，这些都可以改变。为了说明并公开用于本发明的结构和方法，这里结合所有引用的出版物和专利作为参考。
这里所用到的，术语“蚀刻”指的是选择性去除材料并包括但不限于洁净、纹理化(texturing)和抛光。
“耐化学腐蚀的聚合物(chemical-resistant polymer)”意味着聚合物可以与高摩尔浓度的酸性或者碱性溶液保持足够长时间接触以蚀刻工件，并且优选地可以与前述溶液保持更长时间接触而不会使聚合物受到破坏。
这里所用到的，“超声波”通常指的是在大于约18KHz并且最高达到2MHz的频率范围的声扰动。
这里所用到的，“工件”指的是经受制造、蚀刻、纹理化或者在液体中承受超声波能量的洁净操作的部件。举例来说，工件是具有非常小结构的半导体晶圆；或者包括半导体工艺腔室部件诸如气体分配板、圆顶/室顶或者晶圆卡盘。工件通常定义为包括光盘驱动器、半导体元件等的计算机工业中的部件。
这里所用到的术语“盖”，广泛的定义为包括各种类型的容器密闭盖、盖子、塞子、堵塞物、冠、顶、盖板等，作为这些类型容器的一部分，其用作至少部分密封前述槽的封闭物。
术语“真空密封”指的是在两个构件例如槽口和盖之间，气密性和液密性的密封。
“洁净”意味着耐化学腐蚀的聚合物，例如聚乙烯或者碳氟化合物，不会向酸性溶液中引入超过10ppb的可滤去的金属污染物以及10ppm可滤去的阴离子和有机污染物。这些污染物可以出现在与蚀刻溶液接触的材料的表面上，或者可以通过酸或者碱从槽或盖的材料上“滤去”。
“化学惰性”意思是蚀刻溶液基本上不能改变耐化学腐蚀的聚合物的化学或者物理特性。
“相容(compatible)”意味着蚀刻溶液与材料的特性，例如材料的多孔性，物理相容。换句话说，如果化学样品由于小分子尺寸和高迁移率有能力通过材料壁内的微孔移动，则认为该化学样品和上述材料(即使其相对于所述材料具有化学惰性)不相容。
II.本发明的装置和方法一方面，本发明提供了一种用于超声化学蚀刻工件的装置和集成系统。如下详细的说明，已经显示该装置提供了超越现有技术的许多优点，包括使蚀刻溶液在直接接触的周围环境的暴露量最小化，这可以减少来自该装置的不必要污染物进入这些溶液；可控地调节蚀刻溶液的局部压力以抑制形成有害蒸汽的能力；按比例增长工件处理量的能力；提供更安全的工作环境以及防止蚀刻溶液化学成分改变的能力。以下是上述装置的部件。
图3a示出根据本发明实施例的装置300。装置300包括由耐化学腐蚀的聚合物形成的或者涂有耐化学腐蚀的聚合物的两个内槽302和304。耐化学腐蚀的聚合物包括由诸如Nalgene公司(在美国由VWR经销；www.nalgene.com)和Norton Perfomance Plastics Corporation(Wayne，N.J.)的供应商销售的高密度烃类聚合物(例如高密度聚乙烯)，以及由DuPont De Nemours公司(Wilmington，Del.)销售商品名称为Teflon(www.teflon.com)的碳氟聚合物(例如全氟烷氧基(perfluoroalkoxy)、氟化乙丙烯和聚四氟乙烯)。
在1998年9月8日授权的美国专利No.5,804,744、1999年12月7日授权的美国专利No.5,996,424、1999年12月21日授权的美国专利No.6,003,666中说明了用于本发明某些具体实施例的容器和化学物质；在此分别引入其全部内容作为参考。如果需要的话，可以预先洁净上述槽，比如，通过在两种类型浓酸中连续浸泡该槽大约两周然后在超纯水中漂洗几天来预先洁净这些槽。
应该注意到在市场上既有低密度聚乙烯又有高密度聚乙烯。低密度聚乙烯易于协同工作(work with)并更具有柔韧性(例如，更“可塑”)，但是低密度聚乙烯不如高密度聚乙烯耐化学腐蚀。本发明希望采用通过将低密度聚乙烯树脂与高密度聚乙烯树脂混和产生的“中间密度”聚乙烯以产生比高密度聚乙烯易于协同工作并且更加柔韧的混和物，而且该混合物比低密度聚乙烯更耐化学腐蚀。
此处优选的材料，可以以洁净方式制造，对于所涉及的化学物质具有化学惰性，并与涉及的化学物质相容。这三个特征很重要，因此在部分I中已经对术语“洁净”、“化学惰性”和“化学相容”进行了更详细的说明。
在本发明的两个优选材料类型中，聚乙烯是合乎需要的，原因在于其相对比较便宜并且比碳氟化合物聚合物更易于协同工作。在制成本发明的槽和/或盖时，产出的物品包括低于10ppb的可滤去金属污染物以及低于10ppm的可滤去的阴离子和有机污染物，均位于产出物品的表面并被蚀刻溶液从产出物品的材料上提取下来。
碳氟化合物聚合物相对来说更昂贵并很难协同工作，但是具有在半导体工业中被普遍接受用于高纯度应用的优点。在优选实施例中，本发明的装置包括使用碳氟化合物的内槽和/或盖，该内槽和/或盖含有低于1ppb的可滤去金属污染物和低于1ppm的可提取的阴离子和有机污染物。
已经发现前述材料具有化学惰性并且与半导体制造中大多数化学物质能相容。例如，本发明内槽和盖的材料对于下述化学物质既具有化学惰性又与其相容氢氟酸(HF)、盐酸(HCl)、硫酸(H2SO4)、磷酸(H3PO4)、硝酸(HNO3)、乙酸(CH3COOH)、过氧化氢(H2O2)、氢氧化铵(NH4OH)、氢氧化四甲基铵(TMAH)、氢氧化钠(NaOH)、氢氧化钾(KOH)以及异丙醇(IPA)。具体地，本发明的碳氟化合物实施例对于上述化学物质都具有化学惰性并相容。
参照图3a，内槽302和304至少部分设置于外槽306内，并包括侧壁310和312、底部314和316和口318和320。外槽306至少部分填充有可以传递超声波能量的水溶液308。优选的，该水溶液为水。在一未示出的实施例中，上述外槽可以包括循环器，其通过过滤水溶液并将过滤后的溶液返回到外槽中以去除颗粒。为了使上述水溶液温度的降低最小化，如果可能的话，在水溶液供应和/或循环管路上设置水溶液加热元件以将水溶液在供应给外槽之前预加热到预定温度。
内槽302和304至少部分地填充有蚀刻溶液322，诸如氢氟酸、硝酸和/或盐酸；或者碱诸如NaOH或者KOH，用于清洗、蚀刻和/或纹理化工件305，该工件通常由硅、陶瓷(例如AlN、Al2O3)、石英和/或金刚砂形成。耐化学腐蚀的聚合物不应该将诸如金属、阴离子和有机物的污染物引入酸溶液中。优选地，内槽产生低于10ppb的可滤去的金属污染物以及低于10ppm的可滤去的阴离子和有机污染物。
优选地，在各槽中至少填充1公升，更优选地至少填充10公升，尤其优选地至少填充30公升的蚀刻溶液。总酸度或者碱度会根据所需的应用或者工件而不同，但是通常范围为约1％到约40％。优选的酸度或者碱度至少大约为10％。蚀刻溶液包括酸，诸如各种比例下的氢氟酸、硝酸和水，例如1∶1∶1，1∶2∶2或者1∶7∶2。在另一实施例中，蚀刻溶液包括不同比例的碱溶液，例如分别为5-50％或者20-30％的KOH和50-95％或者70-80％的水。根据衬底、时间、温度、蚀刻深度，工件的运动/旋转和/或其它参数可以调整蚀刻溶液，这一点对于熟悉本领域的技术人员来说显而易见。在实施例1-3中描述了用于蚀刻石英和多晶硅衬底的酸和碱的示范比例。
在内槽口324和326的上部设置盖324和/或326，其形状可以是正方形、矩形、三角形、圆形、椭圆形等。优选地，盖的横截面和内槽口的口部横截面基本上相同。上述盖在内槽口和盖的下表面之间产生至少局部密封。在一实施例中，该密封为真空密封。如图3b所示，应该理解盖326还用于提高蚀刻溶液322上方的气体395的局部压力，从而通过保持蚀刻溶液为液态并防止其浓度变化使更少的气雾形成和/或汽化发生。在一实施例中，盖还用作在达到危险程度以前可以释放压力的简单安全阀，例如在蚀刻溶液达到某一温度以前。优选的，上述盖由耐化学腐蚀的聚合物形成。对于可能从内槽或者外槽逸出的气体，设置了位于上述槽上方并容纳和/或与逸出气体相容的排气罩370。
在本发明的实施例中，如上所述，在内槽口和/或盖的下表面上提供至少部分是可变形的、耐化学腐蚀的涂层，例如中密度聚乙烯或者Teflon，并压缩该涂层以通过盖密封内槽。在压力和热的作用下，涂层经历变形并因此形成内槽内部的闭合密封。这在蚀刻至少部分填充密封的内槽期间非常有利，并能确保在蚀刻期间内槽不会由于其内部产生的压力而发生泄漏。除可以延长内槽和/或盖的使用，在本实施例中提供的可变形的涂层还具有的优点是如果需要可以允许更紧密的密封。
装置300还包括与功率振荡器336和外槽306耦接的超声换能器330，该超声换能器330向内槽302和304内的蚀刻溶液322传递超声能量。超声换能器通过水溶液308振荡化学溶液322以加速工件305的蚀刻。在所示的实施例中，超声换能器位于水溶液的外部。但是，在另一实施例中，换能器位于水溶液的内部。如果有必要的话，如同在下述专利中描述的，可以采用多个超声换能器，例如美国专利No.6,181,052(2001年1月30日)，名称“Ultrasonicgenerating unit having a plurality of ultrasonic transducers(具有多个超声换能器的超声产生单元)”，在此引入作为参考。可以从许多供应商处购买到超声换能器，诸如Branson或者Misonix(www.misonix.com)。美国专利No.6,433,460(2002年8月13日)中描述了用于控制超声能量的多个频率范围的方法，在此引入作为参考。超声能量通常在25-40kHz之间或者更大。但是，可以根据上述的附加参数随意调整能量。超声功率通常范围为30-50瓦特/加仑，但是还可以变化为比这个范围更小或者更大的功率。
加热元件332也包含在装置300中。将该加热元件热耦合到外槽306的侧壁上使其可以用于调节水溶液308的温度。已经发现在较高温度可以实现可控的化学蚀刻。该温度与用于蚀刻工件所需的时间成反比并且与上述的附加参数有关。因此，将所述加热元件耦合到本发明装置上的优点在于可以减少蚀刻所需的时间，这使得蚀刻多个工件的生产能力增加。通常，将该温度调节到约18-45℃之间。
装置300还包括用于旋转的机构340和350，用于使得在工件305和超声换能器330之间相对运动。机构340包括电动机342和一直穿过盖326延伸的杆344，其用于绕垂直轴旋转衬底305。但是，该旋转机构不限于所示的结构，并且可以通过传动装置、传送带等修改以将电动机342的驱动转矩传送给杆344使得衬底305绕基本上水平的轴旋转。参见美国专利No.6,199,563(2001年3月13日)，在此引入作为参考。作为替代，通过机构350可以旋转转盘360，该机构350包括电动机352和用于产生转盘360旋转的信号的装置354。另外，或者与工件的旋转相结合，可以旋转超声换能器330使得在设置于内槽中的工件和超声换能器之间实现相对运动。在优选实施例中，缓慢旋转工件，例如从大约1rpm到约20rpm，从而实现对工件的均匀蚀刻。
在水溶液中设置超声缓冲器380，用于缓冲和/或扩散传递给蚀刻溶液322的声能。这种能量的扩散和缓冲可以允许更大程度地控制蚀刻工艺。因此，尽管用于形成缓冲器的材料优选地是耐化学腐蚀的聚合物，但是该缓冲器的尺寸可以随着所需缓冲或者扩散的能量的多少而改变。
在蚀刻溶液322内设置探针390，该探针用于监控上述装置任何部分，例如蚀刻溶液和/或水溶液，的超声能量、温度、温度变化、杂质浓度等。该探针优选的由上述的耐化学腐蚀的聚合物形成或者涂敷。尽管未示出，但是在上述装置的任何部分内或者其附近可以设置一个或者多个用于监控上述任何参数的附加探针。在一实施例中，水溶液维持在大约20℃到大约50℃。由于内槽浸于水溶液中，蚀刻溶液具有和水溶液所保持的温度基本上相同的温度。如上所述，通常，蚀刻溶液的温度越高，蚀刻工艺的速度也就越高，并且从工件表面上去除材料也就越快。因此，水溶液的温度和工件保持在蚀刻溶液中的时间取决于需要从工件上去除的材料量。熟悉本领域的技术人员可以对这些参数进行相应调整，并且根据应用，例如去除损伤等，可将参数调整，以达到约1μm到大约1000μm的均匀蚀刻深度。在实施例1-3中给出了在不同速率下用于蚀刻各种深度的工件的示例性时间和温度参数。
为了提高试验产出并且减少实验室工作人员暴露在此处所述的有害试剂下，可以采用结合有前述装置中一个或者多个部件和/或方法步骤的机器人系统。例如，为了提高蚀刻工艺的产量，可以由机器人执行将溶液(酸性、碱性或者水)引入槽，旋转工件和/或换能器，以及控制温度。因此，在本发明的一实施例中，通过已经开发的用于执行这一任务的机器人或者自动系统执行注射步骤。
如下所述，可以依次或者并行执行对于单个部件(例如工件、内槽或者外槽、换能器、探针等)所要执行的任何操作。某些物理格式(physical format)更适合于并行操作(即，通过大约同时向多个槽添加相关溶液或者大约同时从多个槽中移除工件，执行相同或者相似的操作，和/或其他操作)。可以执行机器人或者其他操作使得通过专用的控制器设备可以控制用于实现选择或并行操作的实际运行，该专用控制器设备可以是链接到具有软件的机器人组件上的计算机，该软件包括用于控制机器人或者其他材料操纵元件的指令集。这些受控的计算机、自动工作站包括机械手，可以模仿由科学家执行的手动操作。可以对上述设备进行修改(如果有的话)使其如本文所述运行，这一点对于熟悉相关技术的技术人员来说是显而易见的。
本发明的装置和方法还可以与2001年8月21日提交的共有美国专利No.09/945,259和2001年8月10日提交的美国专利No.09/927,263中叙述的方法、装置和化学物质一起使用，美国专利No.09/945,259的名称为“Cleaning ofSemiconductor Process Equipment Chamber Parts Using Organic Solvents(采用有机溶剂洁净半导体工艺设备腔室部件)”(代理案号59081-8006.US01)，美国专利No.09/927,263的名称为“System and Method for Cleaning SemiconductorFabrication Equipment Parts(用于洁净半导体制造设备部件的系统和方法)”(代理案号59081-8005.US01)；这里引用上述两专利的全部内容作为参考。
图4所示为适于允许螺钉404、406、408延伸并贯穿其中，使得螺钉顶端在适当位置固定工件410的夹具402。如上所述，该夹具和螺钉由耐化学腐蚀的聚合物形成。接下来将工件410固定到夹具402上，如上所述，在内槽内定位整个设备使得螺钉404、406、408与内槽的内表面接触。在超声振荡期间该结构将工件保持在相对于内槽的适当位置。上述夹具适于与如上所述的旋转机构连接。
如图5a所示，可以使用具有基本上尖头的螺钉来固定例如圆柱形的工件，同时可以使用如图5b所示的有槽螺钉来固定圆片形工件510。
图6a和6b所示为可以通过本发明实现的旋转运动的变形。图6a所示为通过连接杆610、612、614和616连接的三个工件602、604和606。这些工件与旋转机构杆644连接，该旋转机构杆与电动机642连接，以在相对于内槽600的底部616基本上水平的方向旋转工件。作为替代，如图6b所示，通过连接杆610、612、614和616连接的工件602、604和606与旋转机构杆644连接，该旋转机构杆644还进一步还与水平杆618连接，水平杆618通过吊杆630和632悬挂于内槽中。该旋转机构杆644与电动机642连接，该电动机642用于在相对于内槽600的底部616基本上垂直的方向旋转工件。
图7所示为根据本发明的实施例用于超声蚀刻工件的工艺700。工艺700从操作710开始，在操作710提供具有内表面的内槽。前述内表面包括耐化学腐蚀的聚合物。该内槽具有容纳工件的上口，并且该槽至少局部设置于已经至少部分地填充有水溶液的外槽内。如操作720中给出，在内槽中至少填充1公升，优选地为10公升并且更优选地为30公升的蚀刻溶液，其总的酸度或者碱度至少约为10％。在操作730中，工件全部浸入蚀刻溶液中。然后在操作740中用盖覆盖内槽口以密封蚀刻溶液并提高酸性溶液上方的局部压力。根据操作750，为了加速蚀刻工件，通过连接到外槽上的超声换能器超声振荡该蚀刻溶液。
在预定时间周期后可以移除工件，以进行视觉检测和/或测试杂质水平或者工件的蚀刻程度。
VII.实施例以下实施例进一步说明这里所述的发明，并没有意图限定本发明的范围。
实施例1对于酸性蚀刻石英工件，采用比例为1∶1∶1的氢氟酸(49％wt)/硝酸(70％wt)/水的混和物，这相当于16％wt的氢氟酸和23％wt的硝酸的酸浓度，在20±5℃，通过25到40kHz的超声能量和30-50瓦/加仑的超声功率，可以实现每分钟0.5μm的蚀刻速率。
实施例2采用体积比1∶1∶1或者1∶2∶2的氢氟酸(49％wt)/硝酸(70％wt)/水的混合物，在20±5℃通过25到40kHz的超声能量和30-50瓦/加仑的超声功率超声蚀刻构成半导体工具的石英绝缘圈，蚀刻掉5到100μm的材料。1∶1∶1的体积比对应于16％wt的氢氟酸和23％wt的硝酸，而1∶2∶2的体积比对应于10％wt的氢氟酸和30％wt的硝酸。
实施例3采用酸性和碱性超声辅助蚀刻工艺各向同性或者各向异性地蚀刻多晶硅以去除5到200μm的材料。在一实施例中，采用比例为1∶7∶2的氢氟酸(49％wt)/硝酸(70％wt)/水，在20±5℃通过25到40kHz的超声能量和30-50瓦/加仑的超声功率去除材料，前述1∶7∶2的比例对应于5％wt的氢氟酸和7％wt的硝酸。在另一实施例，使用30％的氢氧化钾溶液，在20±5℃通过25到40kHz的超声能量和30-50瓦/加仑的超声功率去除材料。
尽管已经用具体实施例说明了本发明，但是对于熟悉本领域的技术人员来说在不脱离本发明的情况下可以对本发明进行各种变化和改进是显而易见的。
权利要求
1.一种用于化学蚀刻工件的超声蚀刻装置，所述装置包括外槽，至少局部填充有水溶液；内槽，包括耐化学腐蚀的聚合物并且至少局部设置于所述外槽内并与水溶液接触，所述内槽中至少部分地填充有1公升的蚀刻溶液，所述蚀刻溶液具有至少为10％wt的总酸度或者总碱度，并且所述内槽至少具有侧壁、底部以及限定一上口，并且所述上口可以接纳工件；盖，与所述内槽口啮合，其中所述盖的重量在所述内槽口和所述盖下表面之间产生至少局部的密封以提高蚀刻溶液上方的局部压力；以及超声换能器，与所述外槽耦接以将超声波能量传递给所述内槽中的蚀刻溶液。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括用于调节水溶液温度的加热元件。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括在设置于所述内槽中的工件和所述超声换能器之间传递相对运动的机构。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述机构包括一直延伸到所述盖并与所述工件耦接的杆。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括位于所述各槽上方的排气罩，并且该排气罩可以和至少由水溶液和蚀刻溶液其中之一产生的气体相容。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括位于水溶液中的超声缓冲器，用于缓冲和/或扩散传递给所述蚀刻溶液的声能量。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述超声换能器位于所述水溶液之外并与功率振荡器有效连接。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括位于所述蚀刻溶液中的探针，所述探针用于监控超声波能量、温度、温度变化和杂质浓度中的一个或者多个。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述水溶液为经过滤并循环去离子水浴。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，实质上所述蚀刻溶液基本上为静态。
11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述内槽以及任何可以和所述蚀刻溶液接触的旋转机构部分均包括选自由含氟树脂和高密度聚乙烯构成的组中的材料。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述内槽产生低于10ppb的可滤去的金属污染物以及10ppm可滤去的阴离子和有机污染物。
13.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述蚀刻溶液包括选自由氢氟酸、硝酸和盐酸构成的组中的酸。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，所述酸溶液包括氢氟酸、硝酸和水，其比例选自1∶1∶1，1∶2∶2和1∶7∶4构成的组。
15.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述水溶液的温度保持在约20℃到约50℃。
16.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述工件选自由金刚砂、石英或者硅构成的组。
17.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述机构包括用于围绕轴旋转衬底的旋转转动驱动器。
18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述轴是基本上水平的轴。
19.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述轴是基本上垂直的轴。
20.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述机构包括用于旋转所述内槽和/或所述超声换能器的旋转转动驱动器。
21.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述盖的横截面和所述内槽口的横截面基本上相同。
22.根据权利要求21所述的装置，其特征在于，所述内槽口和所述盖均具有与所述盖横截面相对应的圆形形状。
23.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述内槽的横截面和所述工件的横截面基本上相同。
24.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述内槽口具有选自由正方形、矩形、三角形、圆形或者椭圆形构成的组中的形状。
25.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述内槽具有选自由矩形平行管、立方体或者圆柱体构成组中的形状。
26.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述蚀刻溶液包括选自由氢氧化钠和氢氧化钾构成组中的碱。
27.根据权利要求26所述的装置，其特征在于，所述蚀刻溶液包括30％的氢氧化钾。
28.一种用于超声化学蚀刻工件的方法，所述方法包括提供具有内表面并限定有上口的内槽，所述内表面包括耐化学腐蚀的聚合物，并且所述上口接纳工件，其中所述内槽至少部分地设置在外槽内，所述外槽至少部分地填充有水溶液；向所述内槽中填充至少1公升的总酸度或者碱度至少为10％的蚀刻溶液；将所述工件浸没在所述蚀刻溶液中；通过盖覆盖所述内槽的口以密封所述蚀刻溶液并提高蚀刻溶液上方的局部压力；以及通过耦接到外槽上的超声换能器超声振荡所述蚀刻溶液以加速所述工件的蚀刻。
全文摘要
本发明公开了一种用于化学蚀刻工件的超声蚀刻装置。该装置包括至少部分地填充有水溶液的外槽；至少局部设置在外槽内并与水溶液接触的内槽，内槽中至少部分地填充有蚀刻溶液；与内槽口啮合的盖；与外槽连接以将超声波能量传递给内槽中的蚀刻溶液的超声换能器。而且，本发明公开了采用该装置蚀刻工件的多个方法。
文档编号H01L21/304GK1883034SQ200480027643
公开日2006年12月20日 申请日期2004年7月23日 优先权日2003年7月24日
发明者萨曼莎·坦, 陈宁 申请人:晶粒精密清理仪器有限公司