一种芯片沟槽制造用腐蚀装置的制作方法

1.本发明涉及湿式蚀刻装置技术领域，具体是指一种芯片沟槽制造用腐蚀装置。


背景技术：

2.深槽腐蚀也称为芯片蚀刻工艺，其是芯片制造的关键工序，这个工序主要是在芯片的相关位置用腐蚀的方法开出符合要求的沟槽，其沟槽的尺寸一般在深度30-150微米左右。而湿法蚀刻则是在晶圆上覆盖光刻胶并光刻后采用混合酸对光刻后蚀刻道处暴露出来的硅进行湿法腐蚀的方式实现。这在采用si(100)衬底的台面半导体功率器件芯片制作工艺上十分常见，对结深较深的特点的芯片都有较好的加工效果。
3.但是在这种湿法蚀刻工艺中，对腐蚀出来的槽的形状及其均匀性有比较高的要求。影响槽的形状和均匀性的因素除了腐蚀液的配比及品质外，一个合适的操作装置至关重要。
4.目前采用通常采用的方式是对腐蚀液进行制冷到-2-5℃左右，确保腐蚀的时候能尽快散热，其工件(芯片)在腐蚀液中的运动方式是单槽水平运动或者是滚动运动方式，这样一方面腐蚀的效率较低，而长时间腐蚀后又能导致在蚀刻深度符合后，可能会发生与该深度相同程度的横向的蚀刻，使晶粒台面剩余的有效面积减小，这样也使得加工均匀性降低。对此发明人提出一种水平旋转的腐蚀装置来提高蚀刻均匀性和效率。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是克服以上技术缺陷，提供一种芯片沟槽制造用腐蚀装置。
6.本设计提出一种芯片沟槽制造用腐蚀装置，包括位移控制机构、晶圆安置组件、旋转驱动机构及液槽组件；
7.液槽组件包括从左至右设置的腐蚀槽及清洗槽，且腐蚀槽上设有温控元件及超声波清洗元件；
8.位移控制机构用于控制晶圆进行位移，为了进行合理化自动控制，并尽量防止高腐蚀、高毒性的腐蚀液外泄，位移控制机构需要能够以灵活的控制角度和方式来实现晶圆的上下升降、左右位移和翻转，其包括横移模块、升降模块、翻转模块及水平延长座，横移模块用于控制升降模块左右向移动，升降模块用于控制翻转模块上下向移动，翻转模块包括一个水平设置的翻转控制轴及驱动翻转控制轴旋转的翻转动力源，且通过翻转控制轴连接水平延长座；
9.晶圆安置组件包括垂直且枢转地设置在水平延长座上的被动轴以及固定设置在被动轴中部的晶圆固定架；
10.旋转驱动机构包括垂直且枢转地设置在腐蚀槽底部的主轴、用于驱动主轴旋转的旋转动力源以及离合组件，离合组件包括一对相互匹配且分别安装在被动轴底部和主轴顶部的结合件，结合件用于上下接触连接时传递主轴动力。
11.进一步地，为了装置具有更好的灵活性，即防止腐蚀液外泄，翻转控制轴的末端还设有径向位移模块，且通过径向位移模块连接水平延长座，径向位移模块用于驱动水平延长座沿翻转控制轴的径向移动，径向位移模块可以进一步控制晶圆的下降和水平位置。
12.进一步地，径向位移模块包括沿翻转控制轴径向设置的径向位移座、沿径向位移座长轴滑动连接的径向位移滑块以及用于驱动径向位移滑块运动的径向位移动力源，水平延长座固定连接径向位移滑块。
13.进一步地，水平延长座上设置有用于阻止被动轴旋转的刹车器，刹车器为电磁刹车器，其用于阻止被动轴旋转，因此可以在被动轴翻转过程中保持被动轴周向锁定。
14.进一步地，旋转驱动机构还包括固定设置在腐蚀槽底部的主轴座，主轴座内开设有上下贯通的轴安装位，且主轴座内设有推力球轴承及向心球轴承，主轴具有若干台阶面，向心球轴承用于主轴的周面接触并承载径向载荷，推力球轴承用于与主轴的台阶面接触并承载轴向载荷，通过向心球轴承和推力球轴承的配合可以实现主轴旋转的稳定，减少偏移和晃动，同时也能承受一定的负载。
15.进一步地，旋转动力源设置在腐蚀槽下方，且与主轴延伸至腐蚀槽外的下部传动连接。
16.进一步地，两个结合件的结合面为向上渐缩的锥面，离合控制使得旋转装置可以在需要时启动或停止旋转，提供了更灵活的控制选项。
17.进一步地，晶圆固定架包括同轴设置在被动轴外的中央套筒、设置在中央套筒底部的底座以及可拆卸连接底座的定位架，其中，中央套筒的周面以及定位架的内侧均设有水平开设的一字槽，中央套筒与定位架的一字槽相互配合且用于水平放置晶圆。
18.进一步地，超声波清洗元件安装在腐蚀槽的底部，其用于从下至上产生超声波空化作用。
19.进一步地，温控元件为环绕设置在腐蚀槽外的冷却盘管。
20.采用上述方案后，本发明和现有技术相比所具有的优点是：
21.1.本方案采用水平旋转的形式进行蚀刻，水平旋转运动可以使蚀刻液在沟槽表面均匀分布，避免了传统的单槽水平或滚动运动可能导致的不均匀蚀刻问题。通过旋转运动，蚀刻液能够更加均匀地接触和流过沟槽的各个区域，从而实现更一致的蚀刻深度和表面质量，晶圆接触空化作用下的腐蚀液后可以利用空蚀效果提高蚀刻效率；
22.2.装置具有自动化程度高的位移控制机构以及旋转驱动机构，离合控制使得旋转装置可以在需要时启动或停止旋转，提供了更灵活的控制选项，可以根据需要在不同阶段或特定条件下启用或禁用旋转功能，以满足不同的工艺要求，同时保证了晶圆旋转蚀刻过程中运动稳定，装置可以在腐蚀槽和清洗槽之间进行合理转运切换，实现自动化高效加工。
附图说明
23.图1是本发明一种芯片沟槽制造用腐蚀装置的整体立体示意图。
24.图2是本发明一种芯片沟槽制造用腐蚀装置的整体俯视示意图。
25.图3是本发明一种芯片沟槽制造用腐蚀装置的横移模块局部爆炸示意图。
26.图4是本发明一种芯片沟槽制造用腐蚀装置的翻转模块爆炸示意图。
27.图5是本发明一种芯片沟槽制造用腐蚀装置的径向位移模块立体示意图。
28.图6是本发明一种芯片沟槽制造用腐蚀装置的旋转驱动机构及腐蚀槽的剖视示意图。
29.图7是本发明一种芯片沟槽制造用腐蚀装置的晶圆安置组件及旋转驱动机构立体示意图。
30.如图所示：1、位移控制机构，2、晶圆安置组件，3、旋转驱动机构，4、液槽组件，5、腐蚀槽，6、清洗槽，7、温控元件，8、超声波清洗元件，9、横移模块，10、升降模块，11、翻转模块，12、水平延长座，13、翻转控制轴，14、翻转动力源，15、晶圆固定架，16、被动轴，17、主轴，18、旋转动力源，19、离合组件，20、结合件，21、径向位移模块，22、径向位移座，23、径向位移滑块，24、径向位移动力源，25、刹车器，26、主轴座，27、推力球轴承，28、向心球轴承，29、中央套筒，30、定位架，31、机架，32、横移龙门，33、横移轨道，34、横移滑块，35、横移齿条，36、横移齿轮，37、横移电机，38、横移座，39、升降座，40、升降轨道，41、升降滑块，42、升降齿条，43、升降齿轮，44、升降电机，45、翻转电机，46、翻转皮带传动副，47、径向导轨，48、径向电机，49、径向皮带传动副，50、挡板，51、挡块，52、旋转电机，53、旋转皮带传动副，54、翻转座，55、底座。
具体实施方式
31.以下所述仅为本发明的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围，下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
32.实施例1，见图1-7所示：
33.本实施例提出一种芯片沟槽制造用腐蚀装置，包括位移控制机构1、晶圆安置组件2、旋转驱动机构3及液槽组件4。
34.在本实施例中，本装置进行湿法蚀刻及清洗两个步骤，因此液槽组件4包括从左至右设置的腐蚀槽5及清洗槽6。结合附图1、2可知，腐蚀槽5和清洗槽6都是安装在机架31上的，且腐蚀槽5位于清洗槽6左侧。腐蚀槽5内用于放置混合酸腐蚀液，清洗槽6内采用超纯水冲洗或喷淋清洗。
35.由于湿法蚀刻需要腐蚀液进行制冷到-2-5℃左右，确保腐蚀的时候能尽快散热，因此在本方案中腐蚀槽5上设有温控元件7及超声波清洗元件8。具体的，温控元件7为环绕设置在腐蚀槽5外的冷却盘管，其通过内部的冷却介质和冷却系统进行循环降温。而超声波清洗元件8是利用空化作用加快蚀刻效率的装置，通常采用超声波振子和超声波发生器，在本方案中，超声波振子安装在腐蚀槽5的底部，其用于从下至上产生超声波空化作用。
36.超声波空化作用就是在腐蚀液体中的微小气泡核在超声波作用下产生振动，当声压达到一定值时，气泡将迅速膨胀，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，这种膨胀、闭合、振荡能够加快腐蚀液与晶圆的蚀刻效率，并且为了提高蚀刻均匀程度，本方案设置为水平旋转的运动形式，这样可以解决气泡不均的现象(气泡发生在超声波振子处)。
37.位移控制机构1用于控制晶圆进行位移，为了进行合理化自动控制，并尽量防止高腐蚀、高毒性的腐蚀液外泄。位移控制机构1需要能够以灵活的控制角度和方式来实现晶圆的上下升降、左右位移和翻转。具体的，位移控制机构1包括横移模块9、升降模块10、翻转模块11、径向位移模块21及水平延长座12。
38.结合附图3，横移模块9用于控制升降模块10左右向移动。其中横移模块9包括横移
龙门32、横移轨道33、横移座38、横移滑块34、横移齿条35、横移齿轮36及横移电机37。其中，横移轨道33安装在横移龙门32上，用于左右向导向。横移座38依托横移滑块34连接横移轨道33，并且横移电机37安装在横移座38上。横移齿条35设置在横移龙门32上，横移齿轮36传动连接横移电机37并与横移齿条35啮合连接。
39.结合附图3，升降模块10用于控制翻转模块11上下向移动，其中升降模块10包括升降座39、升降轨道40、升降滑块41、升降齿条42、升降齿轮43及升降电机44。其中，升降轨道40安装在升降座39，用于上下向导向。升降座39依托升降滑块41连接升降轨道40，并且升降电机44安装在横移座38上。升降齿条42设置在横移座38上，升降齿轮43传动连接升降电机44并与升降齿条42啮合连接。
40.结合附图4，翻转模块11能够水平方向翻转晶圆，这样可以在蚀刻完成后快速控液。因此翻转模块11包括翻转座54、一个水平设置的翻转控制轴13、驱动翻转控制轴13旋转的翻转动力源14。其中，翻转座54为直角座，可以使翻转控制轴13水平、左右向安装。而翻转动力源14则包括翻转电机45、翻转皮带传动副46。翻转电机45通过翻转皮带传动副46来传动连接翻转控制轴13。
41.同时，为了装置具有更好的灵活性，即防止腐蚀液外泄。径向位移模块21可以进一步控制晶圆的下降和水平位置。结合附图5，径向位移模块21包括沿翻转控制轴13径向设置的径向位移座22、沿径向位移座22长轴设置的径向导轨47、沿径向位移座22长轴滑动连接径向导轨47的径向位移滑块23以及用于驱动径向位移滑块23运动的径向位移动力源24。其中，径向位移动力源24包括一个径向电机48和径向皮带传动副49。通过径向电机48带动径向皮带传动副49的运动可以使径向位移滑块23进行直线运动。
42.而水平延长座12固定连接径向位移滑块23，并且在水平延长座12的自由端内设有副轴座。
43.参照附图6、7，晶圆安置组件2包括垂直且枢转地设置在水平延长座12副轴座内的被动轴16以及固定设置在被动轴16中部的晶圆固定架15。其中，被动轴16的顶部设有一个固定连接水平延长座12的刹车器25。刹车器25为电磁刹车器25，其用于阻止被动轴16旋转，因此可以在被动轴16翻转过程中保持被动轴16周向锁定。
44.晶圆固定架15包括同轴设置在被动轴16外的中央套筒29、设置在中央套筒29底部的底座55以及可拆卸连接底座55的定位架30。其中，中央套筒29的周面以及定位架30的内侧均设有水平开设的一字槽，中央套筒29与定位架30的一字槽相互配合且用于水平放置晶圆。而在底座55上设有多个可拆卸的挡板50和挡块51，挡板50和挡块51共同限位了定位架30的多个边，这样能够在蚀刻和清洗过程中稳定，同时也便于取出。
45.结合附图6，旋转驱动机构3包括垂直且枢转地设置在腐蚀槽5底部的主轴17、用于驱动主轴17旋转的旋转动力源18以及离合组件19。旋转驱动机构3的下侧设置可以防止晶圆固定架15在旋转过程中的晃动和偏移。而离合控制使得旋转装置可以在需要时启动或停止旋转，提供了更灵活的控制选项。可以根据需要在不同阶段或特定条件下启用或禁用旋转功能，以满足不同的工艺要求。
46.在本方案中，旋转驱动机构3还包括固定设置在腐蚀槽5底部的主轴座26，主轴座26内开设有上下贯通的轴安装位，且主轴座26内设有推力球轴承27及向心球轴承28。主轴17具有若干台阶面，向心球轴承28用于主轴17的周面接触并承载径向载荷，推力球轴承27
用于与主轴17的台阶面接触并承载轴向载荷。通过向心球轴承28和推力球轴承27的配合可以实现主轴17旋转的稳定，减少偏移和晃动，同时也能承受一定的负载。旋转动力源18包括旋转电机52和旋转皮带传动副53，其都设置在腐蚀槽5下方，并且与主轴17延伸至腐蚀槽5外的下部传动连接。
47.离合组件19包括一对相互匹配且分别安装在被动轴16底部和主轴17顶部的结合件20，结合件20用于上下接触连接时传递主轴17动力，在本方案中两个结合件20的结合面为向上渐缩的锥面。
48.在本装置的蚀刻过程中，需要使整个晶圆固定架15垂直向下并完成两个结合件20的结合。蚀刻过程中可以依靠超声波振子发出的空化作用产生细小的气泡。这种涡旋和湍流现象可以带动蚀刻液中的新鲜液体和蚀刻产物迅速接触晶圆表面，提供更多的蚀刻反应机会，从而加快蚀刻速度。同时，由于气泡涡旋和湍流的存在，蚀刻液在晶圆表面形成了更加均匀的流动分布，有助于均匀地移除蚀刻产物，减少表面不均匀性和凹凸不平的形成。需要注意的是，这种利用气泡的空蚀现象提高蚀刻速度和均匀程度的优势是在水平旋转的条件下才会出现。为此也需要合理控制晶圆固定架15的水平旋转速度，这可以通过底部的旋转动力源18和刹车器25进行配合控制。通过调整水平旋转运动的速度和时间，可以更好地控制蚀刻深度和表面均匀性。优化后的水平旋转运动方式能够提供更灵活的参数调节，使操作者能够更精确地控制蚀刻过程，达到所需的沟槽形状和尺寸。
49.以上对本发明及其实施方式进行了描述，这种描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种芯片沟槽制造用腐蚀装置，其特征是：包括位移控制机构(1)、晶圆安置组件(2)、旋转驱动机构(3)及液槽组件(4)；液槽组件(4)包括从左至右设置的腐蚀槽(5)及清洗槽(6)，且腐蚀槽(5)上设有温控元件(7)及超声波清洗元件(8)；位移控制机构(1)包括横移模块(9)、升降模块(10)、翻转模块(11)及水平延长座(12)，横移模块(9)用于控制升降模块(10)左右向移动，升降模块(10)用于控制翻转模块(11)上下向移动，翻转模块(11)包括一个水平设置的翻转控制轴(13)及驱动翻转控制轴(13)旋转的翻转动力源(14)，且通过翻转控制轴(13)连接水平延长座(12)；晶圆安置组件(2)包括垂直且枢转地设置在水平延长座(12)上的被动轴(16)以及固定设置在被动轴(16)中部的晶圆固定架(15)；旋转驱动机构(3)包括垂直且枢转地设置在腐蚀槽(5)底部的主轴(17)、用于驱动主轴(17)旋转的旋转动力源(18)以及离合组件(19)，离合组件(19)包括一对相互匹配且分别安装在被动轴(16)底部和主轴(17)顶部的结合件(20)，结合件(20)用于上下接触连接时传递主轴(17)动力。2.根据权利要求1所述的一种芯片沟槽制造用腐蚀装置，其特征是：翻转控制轴(13)的末端还设有径向位移模块(21)，且通过径向位移模块(21)连接水平延长座(12)，径向位移模块(21)用于驱动水平延长座(12)沿翻转控制轴(13)的径向移动。3.根据权利要求2所述的一种芯片沟槽制造用腐蚀装置，其特征是：径向位移模块(21)包括沿翻转控制轴(13)径向设置的径向位移座(22)、沿径向位移座(22)长轴滑动连接的径向位移滑块(23)以及用于驱动径向位移滑块(23)运动的径向位移动力源(24)，水平延长座(12)固定连接径向位移滑块(23)。4.根据权利要求1所述的一种芯片沟槽制造用腐蚀装置，其特征是：水平延长座(12)上设置有用于阻止被动轴(16)旋转的刹车器(25)。5.根据权利要求4所述的一种芯片沟槽制造用腐蚀装置，其特征是：旋转驱动机构(3)还包括固定设置在腐蚀槽(5)底部的主轴座(26)，主轴座(26)内开设有上下贯通的轴安装位，且主轴座(26)内设有推力球轴承(27)及向心球轴承(28)，主轴(17)具有若干台阶面，向心球轴承(28)用于主轴(17)的周面接触并承载径向载荷，推力球轴承(27)用于与主轴(17)的台阶面接触并承载轴向载荷。6.根据权利要求5所述的一种芯片沟槽制造用腐蚀装置，其特征是：旋转动力源(18)设置在腐蚀槽(5)下方，且与主轴(17)延伸至腐蚀槽(5)外的下部传动连接。7.根据权利要求4所述的一种芯片沟槽制造用腐蚀装置，其特征是：两个结合件(20)的结合面为向上渐缩的锥面。8.根据权利要求1所述的一种芯片沟槽制造用腐蚀装置，其特征是：晶圆固定架(15)包括同轴设置在被动轴(16)外的中央套筒(29)、设置在中央套筒(29)底部的底座(55)以及可拆卸连接底座(55)的定位架(30)，中央套筒(29)的周面以及定位架(30)的内侧均设有水平开设的一字槽，中央套筒(29)与定位架(30)的一字槽相互配合且用于水平放置晶圆。9.根据权利要求2所述的一种芯片沟槽制造用腐蚀装置，其特征是：超声波清洗元件(8)安装在腐蚀槽(5)的底部，其用于从下至上产生超声波空化作用。10.根据权利要求1所述的一种芯片沟槽制造用腐蚀装置，其特征是：温控元件(7)为环
绕设置在腐蚀槽(5)外的冷却盘管。

技术总结
本发明公开了一种芯片沟槽制造用腐蚀装置，包括位移控制机构、晶圆安置组件、旋转驱动机构及液槽组件；液槽组件包括腐蚀槽及清洗槽，且腐蚀槽上设有温控元件及超声波清洗元件；位移控制机构包括横移模块、升降模块、翻转模块及水平延长座，横移模块及升降模块用于控制翻转模块横向或纵向移动，翻转模块通过翻转控制轴连接水平延长座；晶圆安置组件包括设置在水平延长座上的被动轴以及固定设置在被动轴中部的晶圆固定架；旋转驱动机构包括设置在腐蚀槽底部的主轴、用于驱动主轴旋转的旋转动力源以及离合组件，离合组件上下接触连接时传递主轴动力至被动轴，与现有技术相比的优点在于：制造出的产品均匀性好，蚀刻效率高。蚀刻效率高。蚀刻效率高。


技术研发人员：刘宏
受保护的技术使用者：江苏韦达半导体有限公司
技术研发日：2023.07.07
技术公布日：2023/10/15