[发明专利]TMAH硅雾化气相刻蚀系统

说明书

本发明公开一种TMAH硅雾化气相刻蚀系统，包括：水冷系统用于冷凝TMAH气体；刻蚀系统用于刻蚀单晶硅以及达到相关刻蚀条件，刻蚀硅片时刻蚀腔内使用的温度高于TMAH沸点，使TMAH呈气态的状态下对硅进行刻蚀；传送系统用于传输以及清洗刻蚀硅片；雾化系统用于产生及输送TMAH液滴至刻蚀腔，通过将TMAH溶液雾化方式，提供浓度更加稳定的TMAH气体，保证刻蚀稳定性；控制系统用于控制水冷系统、刻蚀系统、雾化系统及传送系统协调工作。该系统实现硅高速刻蚀，同时刻蚀表面较为光滑；气相刻蚀通过增大刻蚀腔体的气压以进一步提高刻蚀速率。该系统实现了对硅片非刻蚀面上结构实现了有效的保护，保证了硅刻蚀工艺与以完成工艺之间的兼容性。

技术领域

本发明属于半导体制造领域，具体是一种基于TMAH对硅的雾化气相刻蚀系统。

背景技术

MEMS（Micro EIectro-Mechanical System，微电子机械系统）技术是在半导体制造技术上发展起来的一种可批量制造微传感器、微执行器、信号处理和控制电路等于一体的制造技术。MEMS技术主要包含光刻、刻蚀、键合、薄膜生长、LIGA、硅微加工、非硅加工等工艺过程。

硅表面刻蚀以及体硅刻蚀是MEMS技术中的关键工艺，目前常用的刻蚀方式可分为干法刻蚀和湿法刻蚀。湿法刻蚀主要使用KOH和TMAH（Tetramethylammonium Hydroxide）等碱性溶液与硅发生化学反应，从而实现对硅的各向异性刻蚀。KOH具有较快的刻蚀速率、较好的刻蚀均匀性；不过在该溶液中SiO₂与硅的选择比较小，同时，其中含有的K+离子不能与CMOS工艺兼容。TMAH中不含有金属离子，可与CMOS工艺兼容，同时对SiO₂具有较大的选择比，因而，近年来TMAH正逐步取代其他碱性溶液成为MEMS工艺中的主要刻蚀液。干法刻蚀主要采用ICP（Inductively Coupled Plasma）、RIE（Reactive Ion Etching）、DRIE（DeepReactive Ion Etching）等技术对硅进行物理化学刻蚀，主要包括反应离子轰击刻蚀表面以及反应气体与刻蚀表面物质反应。

干法刻蚀具有较好的线宽控制，很好的侧壁剖面控制；不过干法刻蚀存在对下层材料的刻蚀选择比较差、等离子体诱导损伤、成本较高等缺点。湿法刻蚀虽然成本较低，但是结构暴露于碱溶液中，存在各步工艺过程难以兼容的问题。尤其是在硅的深刻蚀过程中，以上两种刻蚀技术的缺点将进一步显现，同时还存在刻蚀表面质量较、均匀性较差的问题。

发明内容

本发明目的是提供一种TMAH硅雾化气相刻蚀系统，该刻蚀系统采用一种介于湿法刻蚀和干法刻蚀之间的硅刻蚀技术，主要针对硅基MEMS器件的背腔深刻蚀工艺，可以实现低成本的同时能够很好的保证工艺的兼容性、良好的刻蚀表面质量、较高的刻蚀速率以及刻蚀均匀性，同时还实现了非刻蚀面结构的保护。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种TMAH硅雾化气相刻蚀系统，包括雾化腔和刻蚀腔，所述刻蚀腔顶面放置晶元夹具、并通过背面保护腔盖合密封；所述雾化腔和刻蚀腔之间通过雾化液滴输送管连通，所述雾化液滴输送管上安装雾化流量阀；所述雾化腔内盛装TMAH溶液、且其底面安装超声换能器和风动装置；所述刻蚀腔通过回流管与冷凝腔进口连接，所述回流管上安装回流阀，所述冷凝腔出口连接液体回流管，所述液体回流管伸入雾化腔并没入TMAH溶液中，所述液体回流管上连接尾气处理接口；所述冷凝腔通过冷却水进水管路和冷却水回水管路连接水冷机。

所述刻蚀腔和背面保护腔内壁均设置有加热丝，所述背面保护腔内安装背面保护腔温度传感器；所述刻蚀腔内安装刻蚀腔温度传感器和刻蚀腔压力传感器；所述雾化腔内安装雾化器压力传感器。

所述雾化腔连接氮气管路Ⅰ，所述氮气管路Ⅰ上安装氮气流量阀Ⅰ；所述刻蚀腔连接氮气管路Ⅱ，所述氮气管路Ⅱ上安装氮气流量阀Ⅱ；所述氮气管路Ⅰ和氮气管路Ⅱ并接后连接氮气源。