一种针对气相金属辅助化学刻蚀的微波辅助装置

1.本发明属于半导体和电子器件的微纳加工的技术领域，具体涉及一种针对气相金属辅助化学刻蚀的微波辅助装置。


背景技术：

2.金属辅助化学刻蚀（macetch）是近些年来新兴起的一种刻蚀技术，本质属于湿法刻蚀，是对半导体材料进行精细加工的一种新技术。金属辅助化学刻蚀使用贵金属(如金、银、铂等)催化氧化剂分解产生空穴，并在刻蚀液的参与下对半导体材料进行去除。这一去除过程具有各向异性的特点，仅仅与贵金属直接接触的半导体被选择性地刻蚀去除，因此可以得到尺寸、轮廓高度可控的微结构。
3.现有的金属辅助化学刻蚀加热方式有“电阻丝托盘加热法”和“水浴加热法”，本质上都是通过热传递加热，具有加热速度缓慢的缺点。由于金属辅助化学刻蚀的刻蚀速度本质上依赖于催化剂对化学反应的催化速度，加热速度慢则会导致刻蚀反应速率慢、加工效率低的问题，同时不仅对金属催化剂薄膜加热，也会对整个衬底加热，使得横向反应温度和纵向相同，从而不可避免的存在横向刻蚀，导致侧壁垂直度降低，刻蚀速率过慢也会导致横向刻蚀程度增大，深宽比降低等问题。现有的微波加热技术，比如微波炉，微波熔炉等，是通过被加热体内部偶极分子高频往复运动，产生“内摩擦热”而使被加热物料温度升高。但由于金属良导体能够反射微波，所以现有的微波加热技术用于金属加热的情况很少见。


技术实现要素：

4.基于现有加热技术如“电阻丝托盘加热法”和“水浴加热法”加热速度慢的问题，本发明提供一种针对气相金属辅助化学刻蚀的微波辅助装置，解决金属辅助化学刻蚀存在的加热速率慢、加工效率低的问题，以期减小刻蚀结构的孔隙率，提高侧壁垂直度。
5.本发明的具体技术方案如下：一种针对气相金属辅助化学刻蚀的微波辅助装置，包括微波发生装置1和立方体形的刻蚀腔室3，微波发生装置1的下端通过波导2和刻蚀腔室3的上端连通；所述刻蚀腔室3内设有方形的晶圆托盘381和用于水平支撑晶圆托盘381的支撑机构；所述晶圆托盘381的中部开设有圆槽，圆槽内配合设有硅晶圆382，硅晶圆382的中部沉积有金属催化剂薄膜383；所述刻蚀腔室3的前端面上开设有腔室口，且腔室口铰接连接有配合的腔室门34，刻蚀腔室3的上端分别安装有压强传感器31、浓度传感器32和温度传感器33，刻蚀腔室3的底部一侧设有进气阀35，另一侧设有抽气阀36和排气阀37；工作时，微波发生装置1的工作频率为1ghz～100ghz，产生微波经波导2传输到刻蚀腔室3内，使得金属催化剂薄膜383在30s内迅速升温至工作温度；刻蚀腔室3的工作压强为105pa以内、工作温度为50~120℃、气相刻蚀剂颗粒的粒径小于200nm，浓度为5~30mg/l，实现金属催化剂薄膜383对硅晶圆382的催化刻蚀。
6.进一步，所述支撑机构包括4个支撑台38，4个支撑台38对应布置在刻蚀腔室的4个
直角处，每个支撑台38为直角立柱，直角立柱的圆弧面上依次开设有水平的上凹槽和下凹槽；所述晶圆托盘的4个直角处对应位于4个支撑台38的4个上凹槽或4个下凹槽内，实现晶圆托盘381水平布置于刻蚀腔室3内。
7.进一步，所述微波发生装置1包括立方体形箱体和直立布置在箱体内的磁控管11，发射天线14的上端和磁控管11的下端连接，且发射天线14位于波导2内，所述磁控管11的下部外圆柱面上均匀设有冷却翅片12，所述箱体的一侧面上均匀开设有散热孔，另一侧面上安装有散热扇13。
8.进一步，所述金属催化剂薄膜383厚度为1nm~50um，硅晶圆382厚度为0.5mm~2mm。
9.进一步，所述刻蚀腔室3的腔壁包括三层，最外层和最内层均为防腐蚀材料层，中间层为厚度1mm以上的低碳金属板。
10.本发明的有益技术效果如下：（1）本发明的一种针对气相金属辅助化学刻蚀的微波辅助装置，通过微波加热微纳米级金属催化剂薄膜，由于金属辅助化学刻蚀采用的金属催化剂薄膜材料厚度为微纳米级，在微波发生装置工作频率下趋肤效应不显著，可被微波发生装置辐射微波穿透，利用这一特点，使得金属催化剂薄膜能够在微波发生装置的辐射下产生涡流，从而使金属催化剂薄膜迅速升温（30s内），从而提高金属辅助化学刻蚀速率，能有效的解决现有技术中金属辅助化学刻蚀加热速度慢，加工效率低的问题；同时由于金属催化剂薄膜升温迅速，使得刻蚀速率加快，也会解决因刻蚀过慢导致的横向刻蚀程度增大，深宽比降低等问题。
11.（2）本发明的一种针对气相金属辅助化学刻蚀的微波辅助装置，由于刻蚀采用硅晶圆即绝缘材料的半导体衬底，微波辅助加热对金属催化剂薄膜均匀加热而不对半导体衬底加热，使得半导体衬底温度低于金属催化剂薄膜，减弱了横向刻蚀，因此能够减小刻蚀结构孔隙率，提高侧壁垂直度。能有效解决现有技术中对金属催化剂薄膜加热，也会对整个衬底加热，使得横向反应温度和纵向相同，从而不可避免的存在横向刻蚀，导致侧壁垂直度降低的问题。
附图说明
12.图1为本发明一种针对气相金属辅助化学刻蚀的微波辅助装置的结构示意图。
13.图2为本发明的微波发生装置局部剖面图。
14.图3为本发明的微波发生装置和波导连接图。
15.图4为本发明的刻蚀腔室和波导连接图。
16.图5为本发明的刻蚀腔室剖面图。
17.图6本发明的晶圆托盘、硅晶圆和金属催化剂薄膜的结构示意图。
18.图7本发明的金属催化剂薄膜温度随时间变化comsol仿真结果图。
19.图8本发明实施例1的微波辅助装置工作状态示意图。
20.图9本发明实施例2的微波辅助装置工作状态示意图。
21.其中：1-微波发生装置；2-波导；3-刻蚀腔室；11-磁控管；12-冷却翅片；13-散热扇；14-天线；31-压强传感器；32-浓度传感器；33-温度传感器；34-腔室门；35-进气阀；36-抽气阀；37-排气阀；38-支撑台；381-晶圆托盘；382-硅晶圆；383-金属催化剂薄膜。
具体实施方式
22.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
23.实施例1见图1，一种针对气相金属辅助化学刻蚀的微波辅助装置，包括微波发生装置1和立方体形的刻蚀腔室3，微波发生装置1的下端通过波导2和刻蚀腔室3的上端连通；所述刻蚀腔室3内设有方形的晶圆托盘381和用于水平支撑晶圆托盘381的支撑机构；见图6，所述晶圆托盘381的中部开设有圆槽，圆槽内配合设有硅晶圆382，硅晶圆382的中部沉积有金属催化剂薄膜383；硅晶圆382为4英寸硅晶圆，金属催化剂薄膜383材料为金、银或铂等，沉积在待刻蚀的硅晶圆382即半导体衬底上表面，沉积在硅晶圆的中部上，且金属催化剂薄膜383面为30um*30um的正方形，厚度为50nm。
24.见图2和图3，所述微波发生装置1包括立方体形箱体和直立布置在箱体内的磁控管11，发射天线14的上端和磁控管11的下端连接，且发射天线14位于波导2内，所述磁控管11的下部外圆柱面上均匀设有冷却翅片12，所述箱体的一侧面上均匀开设有散热孔，另一侧面上安装有散热扇13。
25.见图4和图5，所述刻蚀腔室3的前端面上开设有腔室口，且腔室口铰接连接有配合的腔室门34，刻蚀腔室3的上端分别安装有压强传感器31、浓度传感器32和温度传感器33，刻蚀腔室3的底部一侧设有进气阀35，另一侧设有抽气阀36和排气阀37；所述支撑机构包括4个支撑台38，4个支撑台38对应布置在刻蚀腔室的4个直角处，每个支撑台38为直角立柱，直角立柱的圆弧面上依次开设有水平的上凹槽和下凹槽；所述晶圆托盘的4个直角处对应位于4个支撑台38的4个上凹槽内，实现晶圆托盘381水平布置于刻蚀腔室3内。
26.所述刻蚀腔室3的腔壁包括三层，最外层和最内层均为防腐蚀材料层，中间层为厚度3mm以上的低碳金属板。
27.见图7，微波发生装置产生微波经波导2传输到刻蚀腔室3内，使得金属催化剂薄膜383在30s内迅速升温至工作温度。由于金属辅助化学刻蚀采用的金属催化剂薄膜33的材料厚度为微纳米级，在微波发生装置1工作频率下趋肤效应不显著，可被微波发生装置1辐射微波穿透，利用这一特点，使得金属催化剂薄膜33能够在微波发生装置1的辐射下产生涡流，从而使金属催化剂薄膜33迅速升温。
28.见图8，工作时，关闭腔室门34，通过抽气阀36将刻蚀腔室3内的压强抽至103pa、工作温度为60~80℃，通过进气阀35通入气相刻蚀剂和惰性气体氮气，气相刻蚀剂粒子尺寸为50nm，浓度为15mg/l，设定微波发生装置1的工作功率为2kw，输出微波频率为50ghz，产生微波经波导2传输到刻蚀腔室3内，使得金属催化剂薄膜383在30s迅速升温至工作温度；同时，刻蚀腔室3内的压强传感器31、浓度检测器32、温度传感器33能够实时监测刻蚀腔室3内的气体压强、浓度、温度。通过调节抽气阀36和进气阀35使压强减小（或增加）；通过调节排气阀37和进气阀35使温度降低（或升高）；通过调节进气阀35使浓度升高或降低，从而维持刻蚀腔室内的压强、浓度、温度的相对稳定。
29.实施例2见图1，一种针对气相金属辅助化学刻蚀的微波辅助装置，包括微波发生装置1和立方体形的刻蚀腔室3，微波发生装置1的下端通过波导2和刻蚀腔室3的上端连通；所述刻蚀腔室3内设有方形的晶圆托盘381和用于水平支撑晶圆托盘381的支撑机构；见图6，所述晶圆托盘381的中部开设有圆槽，圆槽内配合设有硅晶圆382，硅晶圆382的中部沉积有金属催化剂薄膜383；硅晶圆382为4英寸硅晶圆，金属催化剂薄膜383材料为金、银或铂等，沉积在待刻蚀的硅晶圆382即半导体衬底上表面，金属催化剂薄膜383面为50um*50um的正方形，厚度为80nm。
30.见图2和图3，所述微波发生装置1包括立方体形箱体和直立布置在箱体内的磁控管11，发射天线14的上端和磁控管11的下端连接，且发射天线14位于波导2内，所述磁控管11的下部外圆柱面上均匀设有冷却翅片12，所述箱体的一侧面上均匀开设有散热孔，另一侧面上安装有散热扇13。
31.见图4和图5，所述刻蚀腔室3的前端面上开设有腔室口，且腔室口铰接连接有配合的腔室门34，刻蚀腔室3的上端分别安装有压强传感器31、浓度传感器32和温度传感器33，刻蚀腔室3的底部一侧设有进气阀35，另一侧设有抽气阀36和排气阀37；所述支撑机构包括4个支撑台38，4个支撑台38对应布置在刻蚀腔室的4个直角处，每个支撑台38为直角立柱，直角立柱的圆弧面上依次开设有水平的上凹槽和下凹槽；所述晶圆托盘的4个直角处对应位于4个支撑台38的4个下凹槽内，实现晶圆托盘381水平布置于刻蚀腔室3内。
32.所述刻蚀腔室3的腔壁包括三层，最外层和最内层均为防腐蚀材料层，中间层为厚度3mm以上的低碳金属板。
33.见图7，微波发生装置产生微波经波导2传输到刻蚀腔室3内，使得金属催化剂薄膜383在30s内迅速升温至工作温度。由于金属辅助化学刻蚀采用的金属催化剂薄膜383的材料厚度为微纳米级，在微波发生装置1工作频率下趋肤效应不显著，可被微波发生装置1辐射微波穿透，利用这一特点，使得金属催化剂薄膜383能够在微波发生装置1的辐射下产生涡流，从而使金属催化剂薄膜383迅速升温。
34.见图9，工作时，关闭腔室门34，通过抽气阀36将刻蚀腔室3内的压强抽至103pa、工作温度为60~80℃，通过进气阀35通入气相刻蚀剂和惰性气体氮气，气相刻蚀剂粒子尺寸为50nm，浓度为15mg/l，设定微波发生装置1的工作功率为2.5kw，输出微波频率为40ghz，产生微波经波导2传输到刻蚀腔室3内，使得金属催化剂薄膜383在25s迅速升温至工作温度；同时，刻蚀腔室3内的压强传感器31、浓度检测器32、温度传感器33能够实时监测刻蚀腔室3内的气体压强、浓度、温度。通过调节抽气阀36和进气阀35使压强减小（或增加）；通过调节排气阀37和进气阀35使温度降低（或升高）；通过调节进气阀35使浓度升高或降低，从而维持刻蚀腔室内的压强、浓度、温度的相对稳定。
35.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种针对气相金属辅助化学刻蚀的微波辅助装置，其特征在于：包括微波发生装置（1）和立方体形的刻蚀腔室（3），微波发生装置（1）的下端通过波导（2）和刻蚀腔室（3）的上端连通；所述刻蚀腔室（3）内设有方形的晶圆托盘（381）和用于水平支撑晶圆托盘（381）的支撑机构；所述晶圆托盘（381）的中部开设有圆槽，圆槽内配合设有硅晶圆（382），硅晶圆（382）的中部沉积有金属催化剂薄膜（383）；所述刻蚀腔室（3）的前端面上开设有腔室口，且腔室口合页连接有配合的腔室门（34），刻蚀腔室（3）的上端分别安装有压强传感器（31）、浓度传感器（32）和温度传感器（33），刻蚀腔室（3）的底部一侧设有进气阀（35），另一侧设有抽气阀（36）和排气阀（37）；工作时，微波发生装置（1）的工作频率为1ghz～100ghz，产生微波经波导（2）传输到刻蚀腔室（3）内，使得金属催化剂薄膜（383）在30s内迅速升温至工作温度；刻蚀腔室（3）的工作压强为105以内、工作温度为50~120℃、气相刻蚀剂颗粒的粒径小于200nm，浓度为5~30mg/l，实现金属催化剂薄膜（383）对硅晶圆（382）的催化刻蚀。2.根据权利要求1所述一种针对气相金属辅助化学刻蚀的微波辅助装置，其特征在于：所述支撑机构包括4个支撑台（38），4个支撑台（38）对应布置在刻蚀腔室的4个直角处，每个支撑台（38）为直角立柱，直角立柱的圆弧面上依次开设有水平的上凹槽和下凹槽；所述晶圆托盘的4个直角处对应位于4个支撑台（38）的4个上凹槽或4个下凹槽内，实现晶圆托盘（381）水平布置于刻蚀腔室（3）内。3.根据权利要求1所述一种针对气相金属辅助化学刻蚀的微波辅助装置，其特征在于：所述微波发生装置（1）包括立方体形箱体和直立布置在箱体内的磁控管（11），发射天线（14）的上端和磁控管（11）的下端连接，且发射天线（14）位于波导（2）内，所述磁控管（11）的下部外圆柱面上均匀设有冷却翅片（12），所述箱体的一侧面上均匀开设有散热孔，另一侧面上安装有散热扇（13）。4.根据权利要求1所述一种针对气相金属辅助化学刻蚀的微波辅助装置，其特征在于：所述金属催化剂薄膜（383）厚度为1nm~50um，硅晶圆（382）厚度为0.5mm~2mm。5.根据权利要求1所述一种针对气相金属辅助化学刻蚀的微波辅助装置，其特征在于：所述刻蚀腔室（3）的腔壁包括三层，最外层和最内层均为防腐蚀材料层，中间层为厚度1mm以上的低碳金属板。

技术总结
本发明属于半导体和电子器件的微纳加工的技术领域，具体涉及一种针对气相金属辅助化学刻蚀的微波辅助装置。包括微波发生装置和立方体形的刻蚀腔室，微波发生装置的下端通过波导和刻蚀腔室的上端连通；刻蚀腔室内设有方形的晶圆托盘和用于水平支撑晶圆托盘的支撑机构；晶圆托盘的中部开设有圆槽，圆槽内配合设有硅晶圆，硅晶圆的中部沉积有金属催化剂薄膜；刻蚀腔室的上端分别安装有压强传感器、浓度传感器和浓度传感器，刻蚀腔室的底部一侧设有进气阀，另一侧设有抽气阀和排气阀；因此本发明能够有效提高刻蚀速率，并根据其微波增强的均匀性和选择性，减小刻蚀结构的孔隙率，提高侧壁垂直度，对于提高金属辅助化学刻蚀速率具有重大意义。具有重大意义。具有重大意义。


技术研发人员：黄文 陈旭 舒玥 谷圣敏 孙颜
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：2023.04.06
技术公布日：2023/7/25