局域原子层刻蚀模块、局域原子层刻蚀设备及刻蚀方法

技术领域

本发明涉及原子层刻蚀技术领域，具体涉及一种局域原子层刻蚀模块、局域原子层刻蚀设备及刻蚀方法。

背景技术

刻蚀是用物理、化学或者物理化学相结合的方法有选择地去除光刻胶开口下方材料的一种加工工艺。被刻蚀的材料通常包括硅、介质材料、金属材料、光刻胶等。刻蚀是与光刻相关联的图形化处理工艺。它利用光刻胶等材料作为掩蔽层，通过物理、化学或物理化学相结合的方法将下层材料中没有被上层遮蔽层材料遮蔽的地方去除，从而在下层材料上获得与掩膜板图形对应的图形。

刻蚀工艺分为干法刻蚀和湿法刻蚀，具有良好各向异性和工艺可控性的干法刻蚀是芯片制造中实现介质刻蚀、硅刻蚀、金属刻蚀的主要技术路径。在集成电路制造过程中需要多种类型的干法刻蚀工艺，其应用涉及硅片上的各种材料。被刻蚀材料主要包括介质、硅和金属等，通过与光刻、沉积等工艺多次配合可以形成完整的底层电路、栅极、绝缘层以及金属通路等。

离子束刻蚀是一种干法刻蚀工艺，在微光学元件、微电子器件制造中广泛应用，它包括离子束铣削、活性离子束刻蚀、化学辅助离子束刻蚀等刻蚀方法。

离子束刻蚀也称为离子铣，通常是通过惰性气体离子在加速栅极的作用下向基底运动，轰击基底表面，惰性气体离子与基底表面的原子相碰撞，并将基底表面原子冲击出去从而实现基底表面刻蚀的目的。刻蚀过程中离子能量通常在0.1-1kev之间变化，基底支架可旋转和倾斜，用以改变离子的入射角。此方法可以进行极精密的加工，还可以形成亚微米级的图形，如用于形成磁泡存储的微细电极图形等，但是，离子束刻蚀通常选择性较低，加工精度难以控制，所以在半导体加工应用方面受到较多限制。

具体而言，高密度等离子体刻蚀是目前用于先进制程工艺中刻蚀关键层的重要方法，CCP(电容耦合)、ICP(电感耦合)、ECR(电子回旋加速振荡)等类刻蚀机应用广泛，原子层刻蚀(ALE)设备或是未来发展方向。

因此，实有必要开发一种局域原子层刻蚀模块、局域原子层刻蚀设备及刻蚀方法，用以解决上述技术问题。

发明内容

本发明的实施例提供了一种局域原子层刻蚀模块、局域原子层刻蚀设备及刻蚀方法，以解决离子束刻蚀选择性较低、加工精度难以控制的技术问题。

本发明实施例提供的一种局域原子层刻蚀模块，包括：

反应腔，所述反应腔设有用于与基片贴合的反应口；以及

气体输送系统，所述气体输送系统连通至所述反应腔，用于向所述反应腔内输送气体；

其中，所述反应口与所述基片的贴合面设有环状的密封挡圈，以在所述基片的表面限定出一密闭的待刻蚀区域。

可选地，所述密封挡圈贴合至所述基片的贴合面上开设有出水凹槽，所述出水凹槽连通有出水管；

所述密封挡圈内设有进水槽，所述进水槽连通有进水管；所述进水槽与所述出水凹槽流体连通，用于向所述出水凹槽内输送密封液，以在所述密封挡圈与所述基片之间形成液体密封层。

可选地，所述进水槽与所述出水凹槽相对设置，所述进水槽开设有多个与所述出水凹槽流体连通的出水孔。

可选地，还包括吹扫装置，所述吹扫装置包括用于朝所述密封挡圈下方喷气吹扫的吹扫管。

可选地，所述气体输送系统包括输气管路和输气喷头，所述输气喷头设置在所述反应腔内，所述输气管路与所述输气喷头流体连通，所述输气喷头的喷气范围均匀覆盖所述待刻蚀区域。

可选地，所述输气喷头为板状设置的输气板，所述输气板上均匀设置有多个与所述输气管路相连通的喷气孔。

可选地，所述输气喷头的喷气方向与所述基片所处的平面呈一夹角。

可选地，所述夹角的角度范围为30-60°。

可选地，所述输气喷头的数量至少为两个。

可选地，还包括抽气系统，所述抽气系统连通至所述反应腔，用于排出所述反应腔内的气体。

本发明实施例还提供了一种局域原子层刻蚀设备，包括托盘、移动模块以及如上所述的局域原子层刻蚀模块；

其中，所述托盘承载有基片，所述反应腔安装至所述移动模块，并且能够在所述移动模块的驱动下移动至与所述基片表面的预设区域贴合。

可选地，所述移动模块包括X轴移动模组、Y轴移动模组、Z轴升降模组以及R轴旋转模组；

其中，所述X轴移动模组安装至所述Y轴移动模组，所述Z轴升降模组安装至所述X轴移动模组，所述R轴旋转模组安装至所述Z轴升降模组，所述反应腔安装至所述R轴旋转模组。

可选地，所述X轴移动模组和所述Y轴移动模组采用直线电机驱动结构，所述Z轴升降模组采用滚珠丝杆驱动结构。

可选地，所述托盘以及所述反应腔的腔壁安装有加热系统。

本发明实施例还提供了一种采用如上所述的移动式局域原子层刻蚀设备的刻蚀方法，包括以下步骤：

S1、通过所述移动模块驱动所述反应腔移动至与所述基片表面的预设区域贴合；

S2、所述局域原子层刻蚀模块对所述基片表面的预设区域进行原子层刻蚀。

可选地，步骤S2包括：所述气体输送系统向所述反应腔内通入加压处理的前驱体源，以对所述基片表面的预设区域进行原子层刻蚀。

可选地，步骤S2还包括：在通入所述前驱体源之前以及在发生原子层刻蚀反应之后，所述气体输送系统向所述反应腔内通入惰性吹扫气体进行吹扫。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下有益效果：由于局域原子层刻蚀模块的反应腔设有能够与基片贴合的反应口，并且反应口与基片的贴合面设有密封挡圈，因此可以利用反应腔在基片的表面限定出一密闭的待刻蚀区域，从而能够对基片表面的预设区域进行原子层刻蚀，有效提高了刻蚀的选择性和加工精度。

上述技术方案中的另一个技术方案具有如下有益效果：在密封挡圈贴合至基片的贴合面开设出水凹槽，并在密封挡圈内设置与出水凹槽流体连通的进水槽，进水槽能够向出水凹槽内输送密封液，使得密封液能够填充在出水凹槽内，进而在密封挡圈与基片之间形成液体密封层，液体密封层既可以保证密封挡圈的密封效果，又能有效避免密封挡圈对基片造成损伤。

上述技术方案中的另一个技术方案具有如下有益效果：将局域原子层刻蚀模块的输气喷头设置为均匀布置有多个喷气孔的板状结构，并使输气喷头的喷气方向与基片所处的平面呈一夹角，从而能够利用输气喷头向基片表面的预设区域均匀地喷射前驱体源，有效保证了刻蚀的效率及均匀度。

上述技术方案中的另一个技术方案具有如下有益效果：将局域原子层刻蚀模块与移动模块相结合，利用移动模块驱动局域性的局域原子层刻蚀模块在基片表面的预设区域进行刻蚀，从而能够选择性地对基片表面的局部区域进行微纳加工，有效提高了刻蚀的选择性和加工精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的局域原子层刻蚀模块的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的局域原子层刻蚀模块的内部结构示意图；

图3为本发明实施例提供的局域原子层刻蚀模块的仰视图；

图4为本发明实施例提供的局域原子层刻蚀设备的结构示意图；

图5为原子层刻蚀工艺的原理示意图；

图6为TMA和HF刻蚀氧化铝的原理示意图；

图中数字表示：

1、托盘；2、局域原子层刻蚀模块；21、反应腔；22、气体输送系统；221、输气管路；222、输气喷头；223、喷气孔；23、密封挡圈；231、出水凹槽；232、进水槽；233、出水孔；234、进水管；235、出水管；24、吹扫装置；25、抽气系统；3、移动模块；31、X轴移动模组；32、Y轴移动模组；33、Z轴升降模组；34、R轴旋转模组；4、基片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此外，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上”和“下”等通常是指装置实际使用或工作状态下的上和下，具体为附图中的图面方向；而“内”和“外”则是针对装置的轮廓而言的。

如图1、图2所示，本发明的实施例提供了一种局域原子层刻蚀模块2，包括反应腔21以及与反应腔21流体连通的气体输送系统22。其中，反应腔21的底部设有一反应口，反应口能够与基片4贴合。反应口与基片4的贴合面设有一环状的密封挡圈23，密封挡圈23能够隔绝反应腔21的内部区域，使得原子刻蚀反应仅在反应口内的目标区域进行。密封挡圈23可以选择自适应密封圈等具有一定弹性的密封结构，使其能够在不对基片4造成损伤的前提下，在基片4的表面限定出一密闭的待刻蚀区域。

进一步的，为了保证密封挡圈23的密封效果，作为一种可选的实施方式，可以在密封挡圈23的下表面(即密封挡圈23贴合至基片4的贴合面)开设出水凹槽231。密封挡圈23内还设有与出水凹槽231流体连通的进水槽232。本实施例中，进水槽232与出水凹槽231上下相对设置，进水槽232的槽底开设有多个与出水凹槽231流体连通的出水孔233。进水槽232连通有进水管234，出水凹槽231则连通有出水管235。进水槽232能够向出水凹槽231内输送水或者油等具有一定气密性的密封液，使得密封液能够填充在出水凹槽231内，进而在密封挡圈23与基片4之间形成液体密封层，从而提升密封挡圈23的密封效果。

另外，即使密封挡圈23与基片4之间存在一定的间隙，密封液也能在其本身的液体表面张力的作用下填充在密封挡圈23与基片4之间，使得密封挡圈23在不与基片4直接接触的情况下(两者之间的间距根据液体表面张力具体设计)，也能在基片4的表面限定出一密闭的待刻蚀区域。液体密封层既可以保证密封挡圈23的密封效果，又能避免密封挡圈23对基片4造成损伤。

进一步的，为了除去基片4表面残留的密封液，可以在反应腔21的外侧设置吹扫装置24。本实施例中，吹扫装置24的吹扫管朝密封挡圈23倾斜设置，能够在密封挡圈23离开基片4表面时，对密封挡圈23下方的基片4进行喷气吹扫。

具体的，本实施例中的气体输送系统22可以包括输气管路221和输气喷头222。其中，输气喷头222设置在反应腔21内，输气管路221与输气喷头222流体连通，从而能够向反应腔21内通入惰性吹扫气体、加压处理的前驱体源等气体(气源及加压装置等未具体示出)。

为了使待刻蚀区域能够更好地进行原子刻蚀反应，进一步地，本实施例中将输气喷头222设置为板状的输气板，并在输气板上均匀地设置有多个阵列排布的喷气孔223(如图3所示)，喷气孔223均与输气管路221相连通。输气喷头222的喷气方向最好与基片4所处的平面呈一夹角(夹角的角度范围优选为30-60°)，输气喷头222的数量则至少为两个且其喷气范围均匀覆盖待刻蚀区域。输气喷头222的数量和倾斜角度可以根据反应腔21(尤其是反应口)的形状及大小来具体设计，只要保证输气喷头222通入的气体能够被均匀地喷射覆盖至整个待刻蚀区域即可。例如在本实施例中，反应腔21内安装了两个相对设置的输气喷头222，则在设计两个输气喷头222的倾斜角度时，需要保证两个输气喷头222喷射的气体能够快速、均匀地喷射至基片4的整个待刻蚀区域。

作为一些可选的实施方式，本实施例提供的局域原子层刻蚀模块2还包括抽气系统25(抽气泵等结构未具体示出)，抽气系统25连通至反应腔21，能够迅速地将反应腔21内的惰性吹扫气体、反应产物以及未反应掉的过量的前驱体源等气体排出。

如图4所示，本发明的实施例还提供了一种局域原子层刻蚀设备，包括托盘1、如上所述的局域原子层刻蚀模块2以及移动模块3。其中，托盘1用于承载基片4，局域原子层刻蚀模块2的反应腔21安装至移动模块3，移动模块3则能够驱动反应腔21移动至与基片4表面的预设区域贴合，从而利用反应腔21在基片4表面的预设区域限定出密闭的待刻蚀区域，以对基片4表面的预设区域进行原子层刻蚀。

作为一些可选的实施方式，本实施例中的移动模块3包括X轴移动模组31、Y轴移动模组32、Z轴升降模组33以及R轴旋转模组34。其中，X轴移动模组31、Y轴移动模组32、Z轴升降模组33能够分别驱动局域原子层刻蚀模块2沿基片4的X轴方向、Y轴方向、Z轴方向移动(X轴方向、Y轴方向为平行于基片4且相互垂直的两个方向，Z轴方向为垂直于基片4的方向)，R轴旋转模组34则能够驱动局域原子层刻蚀模块2作旋转运动。

进一步的，本实施例中的Y轴移动模组32包括Y轴直线电机以及与Y轴直线电机相互平行且间隔一定距离的Y轴导轨。X轴移动模组31采用X轴直线电机，X轴直线电机横向安装至Y轴直线电机和Y轴导轨的上方，并且能够在Y轴直线电机的驱动下沿着Y轴方向移动。Z轴升降模组33安装至X轴直线电机，并且能够在X轴直线电机的驱动下沿着X轴方向移动。Z轴升降模组33选择伺服电机和滚珠丝杆作为驱动结构，R轴旋转模组34连接至滚珠丝杆的滑块，反应腔21则安装至R轴旋转模组34。

X轴直线电机、Y轴直线电机运行速度快，能够驱动反应腔21快速地在平行于基片4的方向调整刻蚀位置。伺服电机和滚珠丝杆则调控精度更高，能够使反应腔21在垂直于基片4的方向移动至贴合基片4或者与基片4间隔一定距离，例如上文实施例中所述的密封挡圈23下方设有液体密封层时，密封挡圈23可以与基片4不直接接触，保证密闭性的同时还不会损伤基片4。当然，移动模块3也可以直接采用可进行多轴运动的机械手结构等，只要能将反应腔21自如地移动至基片4表面的预设区域即可。

另外，为确保刻蚀反应发生，提高刻蚀反应效率，需要配置加热系统对基片4进行适当的加热处理，例如在托盘1上设置加热系统对整个基片4进行热传导，同时在反应腔21的腔壁上设置加热系统，对基片4的待刻蚀区域进行辐射加热，图中未作具体示意。

另外，对于等离子参与的原子层刻蚀，需要在反应腔21配置等离子发生装置，其反应过程与热型原子层刻蚀类似，图中未做具体示意。

本发明的实施例还提供了一种刻蚀方法，能够采用上述的局域原子层刻蚀设备对基片4表面的预设区域进行原子层刻蚀。

本实施例提供的刻蚀方法主要包括以下步骤：

S1’、将待刻蚀的基片4放置在托盘1上；

S2’、通过移动模块3驱动反应腔21移动至与基片4表面的预设区域贴合；

S3’、利用局域原子层刻蚀模块2对基片4表面的预设区域进行原子层刻蚀。

具体的，步骤S3’包括：气体输送系统22向反应腔21内通入加压处理的前驱体源，以对基片4表面的预设区域进行原子层刻蚀。

作为一些可选的实施方式，步骤S3’还包括：在通入前驱体源之前以及在发生原子层刻蚀反应之后，可以通过气体输送系统22向反应腔21内通入惰性吹扫气体进行吹扫。

原子层刻蚀ALE(atomiclayeretching)是以一种自限制的方式，在原子尺度之内有序地逐层去除材料的刻蚀技术。如图5所示，ALE将刻蚀工艺分为两个主要步骤：改性和去除，先对衬底表面层进行吸附改性处理，使其在后续步骤中能够被轻易移除。且每次循环只去除薄薄一层材料，可重复循环直至达到预期的刻蚀深度，是一种能够精密控制被去除的材料量的先进技术。

本实施例以TMA和HF刻蚀氧化铝为例进行具体说明：

如图6所示，Al

Al

这个总反应式可以分成以下两个半反应：

A:Al

B:2AlF

因此，采用上述的刻蚀方法对Al

1、将待刻蚀的Al

2、移动模块3驱动反应腔21移动至与Al

3、加热系统对Al

4、对反应腔21抽真空并通入惰性吹扫气体进行吹扫(吹扫后惰性吹扫气体完全排出)。

5、气体输送系统22向反应腔21内通入加压处理的HF，HF被喷射至Al

6、对反应腔21抽真空排出反应产物以及未反应掉的过量的HF，然后通入惰性吹扫气体进行吹扫(吹扫后惰性吹扫气体完全排出)。

7、气体输送系统22向反应腔21内通入加压处理的Al(CH

8、对反应腔21抽真空排出反应产物以及未反应掉的过量的Al(CH

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的技术方案及其核心思想；本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例的技术方案的范围。