CN111785604A - 气体喷淋头、制作方法及包括气体喷淋头的等离子体装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体喷淋头、制作方法及包括气体喷淋头的等离子体装置，所述气体喷淋头包括一背板及一气体分布板，所述气体分布板上包括若干具有以所述圆心为圆心的环形气体分布区；每一环形气体分布区上设置多个贯穿所述进气面和所述出气面的气体通孔，所述气体通孔至少包括沿径向倾斜一定角度的多个第一气体通孔，所述气体通孔还包括多个第二气体通孔，所述第二气体通孔与所述中心轴线平行或与所述第一气体通孔具有不同的径向倾斜方向；所述同一环形气体分布区中第一气体通孔和第二气体通孔中流出的气体互相远离。

Description

气体喷淋头、制作方法及包括气体喷淋头的等离子体装置

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种用于等离子体装置的气体喷淋头，其制作方法及设有该气体喷淋头的等离子体装置。

背景技术

半导体芯片生产过程中，需要进行大量的微观加工，常见的等离子刻蚀反应器能够在基片上形成各种微米甚至纳米级尺寸的通孔或沟槽，再结合其它化学气相沉积等工艺，最终形成各种半导体芯片成品。

随着技术的进步，超深宽比刻蚀的应用和需求越来越广泛。例如，在存储器领域，3D NAND闪存成为了主要的存储芯片结构之一。制造3D NAND芯片的过程，包括先形成交替的氧化硅和氮化硅材料层，层数可以达到64层甚至上百层，然后通过等离子体刻蚀贯穿所有这些材料层，由于这些材料层的整体厚度很大，大于5um甚至8um以上，因而属于超深宽比刻蚀。

当刻蚀的氧化硅和氮化硅层超过一百层时，目前的技术刻蚀的深孔或槽难以保证垂直，会发生侧壁倾斜的问题，且基片的不同区域倾斜方向不完全相同。

因此，为了得到垂直刻蚀的孔或槽，研究人员需要找出导致侧壁倾斜的原因，并加以改进。

发明内容

针对背景技术中的上述问题，本发明提出了能够改善均一性的用于等离子体装置的气体喷淋头。

一种用于等离子体装置的气体喷淋头，所述气体喷淋头包括一具有进气面和出气面的气体分布板，所述气体分布板为具有一圆心的圆盘形结构，包括一经过所述圆心并垂直所述气体分布板的中心轴线，所述气体分布板上包括若干具有以所述圆心为圆心的环形气体分布区；

每一环形气体分布区上设置多个贯穿所述进气面和所述出气面的气体通孔，所述气体通孔至少包括沿径向倾斜一定角度的多个第一气体通孔，所述气体通孔还包括多个第二气体通孔，所述第二气体通孔与所述中心轴线平行或与所述第一气体通孔具有不同的径向倾斜方向；

所述同一环形气体分布区中第一气体通孔和第二气体通孔中流出的气体互相远离。

可选的，所述多个第一气体通孔的出气方向向靠近所述中心轴线方向倾斜，所述多个第二气体通孔的出气方向向远离所述中心轴线方向倾斜或与中心轴线平行。

可选的，所述多个第一气体通孔的出气方向向远离所述中心轴线方向倾斜，所述多个第二气体通孔的出气方向向靠近所述中心轴线方向倾斜或与中心轴线平行。

可选的，同一环形气体分布区中所述第一气体通孔和第二气体通孔在所述进气面上的开口中心到所述中心轴线具有第一径向距离差，所述同一气体分布区中所述第一气体通孔和第二气体通孔在所述出气面上的开口中心到所述中心轴线具有第二径向距离差，所述第二径向距离差大于所述第一径向距离差。

可选的，同一气体分布区中所述第一气体通孔和第二气体通孔在所述进气面上的开口中心到所述中心轴线的距离相等，所述第一气体通孔和所述第二气体通孔交替间隔设置。

可选的，同一气体分布区中所述第一气体通孔和第二气体通孔在所述进气面上的开口中心到所述中心轴线的距离相等，若干相邻所述第一气体通孔组成第一气体单元，若干相邻所述第二气体通孔组成第二气体单元，所述第一气体单元和第二气体单元交替间隔设置。

可选的，所述多个第一气体通孔的出气方向向靠近所述中心轴线方向倾斜，所述多个第二气体通孔的出气方向向远离所述中心轴线方向倾斜，所述气体分布板上还设置多个第三气体通孔，所述第三气体通孔与所述中心轴线平行，所述第一气体通孔、第二气体通孔和第三气体通孔交替间隔设置。

可选的，同一气体分布区中所述第一气体通孔和第二气体通孔在所述进气面上的开口中心到所述中心轴线存在一大于0的径向距离差。

可选的，同一气体分布区中所述第一气体通孔在所述进气面上的开口中心到所述中心轴线的径向距离小于所述第二气体通孔在所述进气面上的开口中心到所述中心轴线的径向距离，所述第一气体通孔和所述第二气体通孔在所述进气面上的开口中心两两位于同一径向上。

可选的，同一气体分布区中所述第一气体通孔在所述进气面上的开口中心到所述中心轴线的径向距离小于所述第二气体通孔在所述进气面上的开口中心到所述中心轴线的径向距离，所述第一气体通孔和第二气体通孔在所述进气面上的开口中心分别位于不同径向上。

可选的，所述第一倾斜角度和所述第二倾斜角度大于等于0°小于30°。

可选的，所述第一气体通孔和所述第二气体通孔之间的夹角大于等于5°。

可选的，相邻两环形气体分布区之间设置环形隔离区，所述环形气体分布区和环形隔离区沿径向依次交替分布设置。

可选的，所述环形隔离区的径向宽度大于所述气体分布区的径向宽度。

可选的，所述气体喷淋头还包括一背板，所述背板与所述气体分布板的进气面相对，所述背板与所述气体分布板之间设置若干热传导层。

可选的，所述热传导层设置在所述环形隔离区域上表面。

可选的，至少部分第一气体通孔或第二气体通孔在所述出气面的开口位于所述热传导层在所述气体分布板的出气面的正投影区域内。

可选的，所述进气面包括若干凹槽，所述凹槽具有倾斜底面，所述第一气体通孔设置在所述凹槽的倾斜底面上。

可选的，所述凹槽包括沿着所述进气面向所述出气面凹陷的侧壁和与所述侧壁之间呈一定夹角的倾斜底面。

可选的，所述凹槽包括两个向不同方向倾斜的倾斜底面，两个倾斜底面构成一“V”字形凹槽。

可选的，所述第一气体通孔和第二气体通孔垂直于所述凹槽的倾斜底面向所述出气面延伸。

可选的，所述凹槽内设置若干沉孔，所述沉孔设置在所述凹槽的倾斜底面，所述气体通孔的开口设置在所述沉孔的倾斜底面。

可选的，所述进气面上设置若干沉孔，所述沉孔具有倾斜底面，所述气体通孔的开口设置在所述沉孔的倾斜底面。

进一步的，本发明还公开了一种等离子体装置，包括一真空反应腔，所述真空反应腔内设置：

基座，用于支撑待处理的基片；

气体喷淋头，与所述基座相对设置，用于向所述真空反应腔内提供反应气体；

射频源功率源，用于将反应气体解离产生等离子体；

射频偏置功率源，施加到所述基座，用于驱动等离子体中的带电粒子对所述基片进行处理；

所述气体喷淋头具有如权利要求1所述的特征。

可选的，所述射频偏置功率源输出频率大于等于1万瓦。

可选的，所述基片刻蚀的深宽比大于等于40:1。

可选的，所述基片的刻蚀目标层大于等于100层。

可选的，所述射频偏置功率源的输出频率大于等于100Khz，小于等于2Mhz。

可选的，所述射频偏置功率源输出一脉冲射频偏置信号。

可选的，所述反应腔内的气压小于等于100毫托。

进一步的，本发明还公开了一种制作上文所述气体喷淋头的方法，包括如下步骤：

提供一圆盘形气体分布板，所述气体分布板包括一进气面、一出气面和一垂直所述气体分布板的所述中心轴线，

在所述气体分布板上设置若干环形气体分布区，在所述每一气体分布区内设置多个具有第一倾斜角度的第一气体通孔和多个具有第二倾斜角度的第二气体通孔，其中，设置多个第一气体通孔的出气方向向靠近所述中心轴线方向倾斜，设置多个第二气体通孔的出气方向向远离所述中心轴线方向倾斜。

可选的，在所述气体分布板的进气面上制作若干环形凹槽，所述环形凹槽具有至少一个倾斜底面；

所述倾斜底面与所述进气面之间的夹角为0°-30°，垂直所述倾斜底面设置所述第一气体通孔和所述第二气体通孔。

可选的，在制作所述凹槽时，先垂直于所述进气面向所述出气面制作一定深度的凹陷部，再在所述凹陷部的底面制作倾斜底面。

可选的，在所述倾斜底面上设置若干沉孔，所述气体通孔的进气口设置在所述沉孔底部。

可选的，所述沉孔的直径大于所述气体通孔的直径。

附图说明

图1是本发明等离子体装置的结构示意图；

图2是现有技术刻蚀基片得到的刻蚀结果形貌示意图；

图3是气体喷淋头孔间距在基片表面作用的示意图；

图4是本发明所示气体喷淋头的局部结构示意图；

图5A-图5D示出本发明一种实施例的气体分布板的结构示意图；

图5E示出本发明一种实施例的气体分布板的结构示意图

图6A-图6C示出本发明一种实施例的气体分布板的结构示意图；

图7A-图7B示出本发明一种实施例的气体分布板的结构示意图；

图8A-图8C示出本发明一种实施例的气体分布板的结构示意图；

图9示出本发明一种实施例的气体分布板的结构示意图；

图10示出本发明一种实施例的气体分布板的结构示意图；

图11示出本发明一种实施例的气体分布板的结构示意图；

图12是利用本发明装置刻蚀基片得到的刻蚀结果形貌示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的具体实施方式进行说明。

本发明提供了一种用于超深宽比刻蚀的等离子体装置，如图1所示，包括由反应腔外壁30围成的真空反应腔50，所述真空反应腔内部形成反应空间，以进行等离子体刻蚀工艺处理；所述真空反应腔内设置一基座40，用于固定待处理的基片W，基座40同时作为真空反应腔的下电极。反应腔内的顶部设置有一个平板形的气体喷淋头10，气体喷淋头10通过管道与外部气源20相联通。气体喷淋头与基座位置相对应，同时作为真空反应腔的上电极。一射频源功率源72可选择性的施加到上电极或下电极之一，以在上电极和下电极之间产生高频电场，使得通入反应腔内的反应气体电离产生等离子体。一射频偏置功率源74施加到所述下电极，使得基片上表面鞘层中产生足够的直流偏置电压，加速等离子体中的带电离子快速地向基片轰击，以进行刻蚀。环绕基座40设置一等离子体约束装置60，用于将等离子体限制在等离子区内，一抽真空装置80用于排出反应腔内的未反应气体及反应副产物气体，以维持反应腔50的真空状态。

作为一种处理目的，本发明中真空反应腔内处理的基片W包括若干绝缘材料层，一种典型的应用为3D NAND基片，包括交替层叠的第一绝缘材料层1和第二绝缘材料层2，如图2所示。所述第一绝缘材料层1由氧化硅构成，第二绝缘材料层2由氮化硅构成。氧化硅层和氮化硅层的累积层数大于等于100层。所述绝缘材料层上刻蚀形成的通孔的深宽比大于等于40。

刻蚀过程中发现，随着刻蚀深度的不断增加，刻蚀深孔的侧壁难以保证垂直，测试结果显示，刻蚀得到的深孔或槽经常出现倾斜扭曲现象，而且不同区域的倾斜方向和倾斜角度并不完全相同。图2示出目前得到的刻蚀结果的示意图，由图2发现，刻蚀得到的基片上一部分孔或槽存在扭曲现象，另一部分孔或槽的刻蚀形貌较好，符合工艺要求，且位于形貌较好的刻蚀孔或槽两侧的不合格孔或槽的倾斜角度和扭曲方向有时存在镜像现象。与此同时，本发明人发现符合要求的相邻刻蚀孔或槽之间的间距L₁和气体喷淋头中相邻两气体出口的间距L₁相一致，因此，本发明人猜测反应腔内气体喷淋头上气体通孔的分布对基片刻蚀的均匀性有重要影响。

为了验证上述推测，本发明人进行了如图3所示的测试，将一测试基片W放入等离子反应腔中，向气体喷淋头中通入一定量的沉积气体，一段时间后发现气体喷淋头的气体通孔下方对应的区域W1沉积的薄膜厚度小于相邻气体通孔之间区域对应的区域W2，由此可确认气体喷淋头上气体通孔的分布对基片刻蚀的均匀性有重要影响。

由于本发明设计的等离子反应器一种目的是用于刻蚀超深宽比的孔或槽，为了得到形貌较好的刻蚀结果，反应气体既包括刻蚀气体，也包括沉积气体，尤其在刻蚀高深宽比的制程中，孔或槽的刻蚀是刻蚀过程和沉积过程同时并行的过程。本发明人研究发现无论是刻蚀过程还是沉积过程，反应气体中的未解离的气体基本不参与反应，只有等离子体中的中性自由基或带电粒子才会进行刻蚀或沉积反应。因此，当反应气体以一定的速度流出气体喷淋头10后，一部分气体垂直喷射至基片表面形成分子流，另一部分气体向四周扩散，以较低的速度流向基片表面形成过渡分子流，由于过渡分子流气体扩散的路径较长，在等离子体解离区域经历的时间较长，解离产生的能够参与刻蚀反应和沉积反应的自由基和带电粒子较多，而分子流气体垂直喷射至基片表面，解离产生的自由基和带电粒子较少，因此，分子流喷射到的基片表面区域W1参与刻蚀反应或沉积反应的成分比其他区域W2要少，因此，才会在基片表面会产生不均匀的处理，当基片表面的掩膜层处理不均匀后，在将刻蚀图案向下转移时就会发生刻蚀深孔或槽的扭曲倾斜问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种气体喷淋头，如图4所示，气体喷淋头包括一背板15及一气体分布板100。气体分布板上设置若干气体通孔，以将反应气体输送到上下电极之间。由于气体喷淋头的气体分布板在刻蚀过程中与等离子体接触，为了保证等离子体对基片的均匀处理，需要维持气体分布板不同区域的温度均匀。本发明中背板的材料通常为铝，气体分布板的材料通常为耐等离子体腐蚀的陶瓷材料。在某些工艺中，由于等离子体轰击气体分布板造成气体分布板的温度过高且温度不均匀，可能会造成气体分布板的开裂，且随着反应工艺的不断进行，逐渐升温的气体分布板会造成不同批次的基片加工程度不同，降低设备的重复性，因此需要对气体分布板进行冷却。在另外一些工艺中，有时需要对气体分布板进行均匀加热，由于气体分布板内遍布气体通孔，没有足够空间设置温度调节装置，因此本发明将温度调节装置设置在背板15内部，温度调节装置包括加热装置和冷却装置，在此不再赘述。为了实现对气体分布板的温度控制，同时为了避免不同材质的基板和气体分布板热膨胀系数不同造成的接触不良，本发明在背板15及气体分布板100之间设置热传导层104，热传导层104可以保证气体分布板与背板之间有良好的热接触，通过控制背板内的温度控制装置实现对气体分布板的温度控制，以提高整个气体分布板的温度均匀性，在处理同一基片的不同区域以及不同批次的基片时，气体分布板能够具有良好的均匀性和重复性。

在气体通孔数量有限的情况下，为了保证基片的刻蚀速率，需要提供足够的反应气体至真空反应腔，因此，每个气体通孔内反应气体需要具有一定的流速。为了避免基片表面产生不均匀处理现象，在排除了反应腔内电场分布的影响后，本发明人发现气体分布板中流出的气流大小和气体扩散程度是导致刻蚀深孔倾斜的主要原因。如果降低气体通孔流出的反应气体速率会对解决刻蚀深孔扭曲倾斜问题有所帮助，然而，降低气体通孔内的气体流速会导致供应到真空反应腔内的反应气体总量降低，继而导致基片的刻蚀速率降低，无法满足生产需求。如果增加气体通孔的数量，由于气体通孔在气体分布板上呈环状分布，且相邻的环状气体通孔之间设置面积较大热传导层，两热传导层之间的距离较小，因此只能通过在两个相邻的气体通孔之间增加气体通孔的数量来实现，然而，当气体通孔数量增加后，在气体分布板的出气面的气体出口会变得更加密集，当反应气体向下流向基片表面时，相邻两个气体通孔的出口之间由于距离较小，出口处的气体会连成一片，产生气幕现象。环形的气幕对基片的处理均匀性会产生更坏的影响，因此本发明需要提供一种能够均匀处理基片的气体喷淋头。

如图4所示，背板15上设置若干气体通道，反应气体自外部气源20经气体输送管道进入背板内，在所述背板内实现混合或均匀分布，然后通过气体分布板上的气体通孔进入上电极和下电极之间的等离子体解离区域。用于对反应气体进行分配并输送到气体分布板100内部，气体分布板100上设置多个气体通孔，用于对背板输送来的反应气体进行均匀分配。由于气体喷淋头通常为圆盘形，在配置气体通孔及热传导层时通常呈圆环状，为了保证背板与气体分布板良好的热接触，热传导层的面积要尽可能大，由于气体通孔的进气口只能设置在热传导层的侧边，且为了保证气体通孔在气体分布板上的均匀分布，通常设置环状的气体通孔与环状的热传导层交替排布。

在图4所示的气体喷淋头中，气体分布板100与背板15相邻的一面为进气面101，另一面为出气面102，气体通孔110倾斜的设置在所述气体分布板内部。考虑到目前的基片都为圆形，为了对基片进行均匀处理，本发明设计气体分布板为具有一圆心的圆盘形结构，并假设其存在一经过所述圆心并垂直气体分布板的中心轴线，所述气体分布板上包括若干具有以所述圆心为圆心的环形气体分布区，每一环形气体分布区上设置多个贯穿所述进气面和所述出气面的气体通孔，所述气体通孔至少包括沿径向倾斜一定角度的多个第一气体通孔，所述气体通孔还包括多个第二气体通孔，所述第二气体通孔与所述中心轴线平行或与所述第一气体通孔具有不同的径向倾斜方向；在图4所示的实施例中，所述多个第一气体通孔的出气方向向靠近所述中心轴线方向倾斜，所述多个第二气体通孔的出气方向向远离所述中心轴线方向倾斜，从而保证所述同一环形气体分布区中多个第一气体通孔和第二气体通孔中流出的气体相互远离，不发生汇聚。如下将详细说明本发明的结构设计。

图5A-5D示出本发明一种示例性的气体分布板结构示意图，其中图5A为气体分布板的进气面视图，图5B为气体分布板的出气面视图，图5C为气体分布板沿R-R的剖面视图。图5D为同一气体分布区内第一气体通孔和第二气体通孔的倾斜角度示意图。在图5A-5D所示的实施例中，气体分布板100上设置若干环形的气体分布区106，每个环形气体分布区内设置多个贯穿所述进气面101和出气面102的气体通孔110，为了加工制作的方便，气体通孔以气体分布板的圆心为圆心，按照不同的直径一圈一圈地排布在气体分布板上，在本实施例中，每一个环形气体分布区中设置一圈气体通孔。相邻两环形气体分布区之间设置环形隔离区105，环形隔离区上不设置气体通孔。在本实施例中，环形气体分布区106和环形隔离区105径向交替分布设置。

为了配合气体通孔的设计，同时为了保证热传递效果，环形隔离区105的上表面设置热传导层104，热传导层104也呈环状结构分布在两圈相邻的气体通孔之间。

由图5C可知，气体通孔倾斜设置在气体分布板的内部，在同一环形气体分布区中，气体通孔包括多个具有第一倾斜角度的第一气体通孔110a和多个具有第二倾斜角度的第二气体通孔110b。根据图5A所示，环形隔离区105的径向宽度大于环形气体分布区106的径向宽度。在本实施例中，每一环形气体分布区106上只设置一圈气体通孔，即同一气体分布区中第一气体通孔110a和第二气体通孔110b在进气面101上的开口中心到所述中心轴线的距离相等，第一气体通孔110a和第二气体通孔110b交替间隔设置。两组气体通孔具有不同的径向倾斜方向。具体来说，气体通孔110a向所述中心轴线方向倾斜一定角度，经气体通孔110a的气体的出气方向向中心轴线靠近，气体通孔110b向远离中心轴线的方向倾斜一定角度，经过气体通孔110b的气体的出气方向向远离中心轴线的方向延伸。同一环形气体分布区中第一气体通孔和第二气体通孔的气体相互远离，不发生汇聚。在另外的实施例中，所述第一气体通孔和第二气体通孔并非严格遵守互相交替设置的规律，例如，若干个相邻的第一气体通孔组成第一气体单元，若干个相邻的第二气体通孔组成第二气体单元，所述第一气体单元与第二气体单元交替排布设置。气体通孔110a和气体通孔110b的倾斜角度可以相同也可以不相同，其中，第一气体通孔的第一倾斜角度α为气体通孔110a与进气面101之间的夹角，该夹角范围为60°至90度。同理，第二气体通孔的第二倾斜角度β为气体通孔110b与进气面101之间的夹角，该夹角范围为60°至90度，如图5D所示。为了便于描述，本实施例选择气体通孔110a和气体通孔b具有相同的倾斜角度不同的倾斜方向。

根据图5B所示，由于本实施例中第一气体通孔110a向中心轴线方向倾斜相同的角度，因此在出气面，这些气体出口也具有相同的径向距离，同理，第二气体通孔110b向远离中心轴线的方向倾斜相同角度，在出气面第二气体通孔110b也具有相同的径向距离。对比图5A和图5B可见，在进气面101位于同一径向距离的一圈气体通孔在出气面102变为两圈气体通孔，相比进气面上位于同一径向距离的气体通孔圈上的相邻两个进气口之间的距离，出气面上同一气体通孔圈上相邻两个出气口之间的距离增大，同时，相比进气面上相邻两个环形气体分布区中两圈气体通孔之间的径向差，出气面上相邻两圈气体通孔的径向差减小，因此气体通孔在出气面上的开口分布更为均匀。与现有技术相比，尽管在进气面上气体通孔的开口数量增加了一倍，但是由于本发明将气体通孔巧妙设计为倾斜一定角度，使得出气面上位于同一环形气体分布区的两相邻气体通孔之间的距离并未减小，因此不会发生由于相邻气体通孔距离过小导致的同一圈气体通孔的出气口形成气幕的问题。

在另外的实施例中，气体通孔的倾斜角度可以设置为不同，只要能将气体出口在出气面上实现均匀分布，同时在进气面的气体进气口不影响热传导层的设置即符合本发明的发明宗旨。

在本发明所述的实施例中，位于同一环形气体分布区内的第一气体通孔和第二气体通孔可以同时设置与进气面具有一60°-90°的夹角，也可以一组气体通孔设置具有一定倾斜角度，另一组气体通孔沿着竖直方向与中心轴线平行。或者如图5E所示的实施例，设置第三组气体通孔110c，第三组气体通孔与进气面之间具有第三倾斜角度，优选的，第三倾斜角度小于第一倾斜角度和第二倾斜角度，本实施例中，设置第三倾斜角度为90°，沿着竖直方向与中心轴线平行。在本实施例中，第一气体通孔、第二气体通孔和第三气体通孔交替设置，因此同一环形气体分布区的气体通孔在出气面上形成三圈气体出口，提高了气体通孔在出气面上的均匀分布。由于两相邻环形气体分布区中的气体出口在出气面上的距离与两相邻气体通孔之间的夹角和气体分布板的厚度有关，当位于同一环形气体分布区内的两相邻气体通孔一个设置较大倾斜角度，另一个垂直出气面设置时，也能增大两圈相邻的气体出口在出气面上的距离，避免气幕的产生。

根据图5C所示，设置在气体分布板进气面的开口只能位于热传导层的两侧，热传导层104在出气面102上具有正投影区域104a，根据上文所示的实施例，由于本发明的气体通孔具有一定的倾斜角度，气体通孔110在出气面102上的气体出口至少有部分位于该投影区域104a内，本发明的设计使得气体出口绕开了热传导层的限制，充分利用了出气面的空间，减小了相邻两圈气体通孔出口之间的距离，使得气体通孔的出气口在出气面的分布更为均匀。

在本实施例中，通过设置气体通孔具有一定的倾斜角度或者同一气体分布区内的两组或两组以上的气体通孔之间具有一大于5°的夹角，在保证热传导层面积不减小的前提下可以实现气体分布板下表面的气体出口分布更加均匀，同时避免相邻两气体出口距离太近可能导致的气幕现象。在本实施例中，气体通孔的数量大大增加，因此在不降低向真空反应腔内供应气体总量的同时可以有效降低每个气体通孔内的气体流速，避免反应气体未经解离即喷射到基片表面，提高了气体通孔下方的基片表面与其他区域处理的均匀度。

本实施例中由于要保证气体分布板和背板之间的热传导效果，热传导层的面积要尽可能设置的较大，因此，尽量在相邻的两圈气体通孔之间设置热传导层。但是，在另外的实施例中，也可以在相邻的两圈热传导层之间设置两圈气体通孔，如图6A-6C所示的气体分布板200的实施例。

在图6A所示的气体分布板进气面结构示意图中，同一环形气体分布区的进气面上第一气体通孔和第二气体通孔到所述中心轴线的径向距离存在一大于0的距离差，即同一环形气体分布区的进气面上设置两圈气体通孔210。这两圈气体通孔在进气面201上的进气口之间距离较小，以适应两圈相邻的热传导层之间较小的距离。在图6A所示的实施例中，同一环形气体分布区内第一气体通孔和第二气体通孔两两位于同一径向上，并在各自的环形气体分布区内均匀排布。在图6C示出的截面图中，第一气体通孔210a向中心轴线方向倾斜，使得第一气体通孔与进气面之间存在第一倾斜角度α，第二气体通孔210b向远离中心轴线方向倾斜，使得第二气体通孔与进气面之间存在第二倾斜角度β，第一倾斜角度α和第二倾斜角度β可以相同也可以不相同，所述第一倾斜角度α和第二倾斜角度β在60°-90°的范围内。

由图6B所示的气体分布板的出气面202结构示意图可以看出，在进气面上紧密相邻的两圈进气口在出气面上的出气口距离变大，假设第一气体通孔和第二气体通孔在进气面上的开口中心到所述中心轴线具有第一径向距离差，同一气体分布区中所述第一气体通孔和第二气体通孔在所述出气面上的开口中心到所述中心轴线具有第二径向距离差，由本发明实施例可见，所述第二径向距离差大于所述第一径向距离差。因此，气体通孔在出气面上的开口分布较在进气面上的开口分部更为均匀，在增加了气体通孔数量的情况下，具有同一径向距离的两相邻气体通孔在出气面上的开口之间的距离并未减小，因此，避免了同一环形气体分布区内的出气口过于密集形成气幕，影响基片处理的均匀性。

图7A和图7B示出另一种实施例。在本实施例中，同一环形气体分布区内也设置两圈气体通孔，与上述实施例中第一气体通孔和第二气体通孔两两位于同一径向上分布不同，本实施例中第一气体通孔和第二气体通孔相互错位，位于不同的径向上，其中靠近内圈的气体通孔向中心轴线方向倾斜一角度，靠近外圈的第二气体通孔向远离中心轴线的方向倾斜另一角度，这两个角度可以相同也可以不同。环形热传导层两侧的气体通孔合理设置，保证出气口在出气面上分布均匀。

上述两个实施例均为在同一环形气体分布区内设置两圈气体通孔，在其他实施例中，同一环形气体分布区内可以设置两圈以上的气体通孔，受限于相邻两环形气体分布区之间的环形隔离区上不能设置气体通孔，且环形隔离区的径向尺寸大于气体通孔的径向尺寸，同一环形气体分布区内的气体通孔在进气面上设置较为密集，本发明通过设置气体通孔具有一定的倾斜角度，使得同一环形气体分布区内的若干圈气体通孔在出气面上的出气口间距离增大，在实现气体通孔数量增加的前提下不会形成气幕，保证了反应气体均匀地供应到反应腔内。

同图5C所示的实施例，图6A-6C和图7A-7B所示的实施例中，也会有至少部分的出气口位于热传导层在出气面上的投影区域内。以便能充分利用出气面上的空间，对气体出口进行均匀设置。

为了适应高深宽比的刻蚀设备需求，本发明在原有气体分布板的技术上增加了气体通孔的数量，通过设置气体通孔与竖直方向具有一定的倾斜度，保证在增加气体通孔数量的同时不会产生气幕等影响基片均匀处理的问题。由于气体分布板的气体通孔数量增加，为了配合气体分布板的气体通孔，其上方的背板也要作出改进。一种方式是同步增加气体分布板上的气体通孔数量，但是这会提高成本，同时设计新的背板也会延长设计周期，增加零部件管理成本。

为了解决上述问题，本发明在上文所述的实施例基础上进一步改进，设计出的气体分布板可以适用于现有背板，同时具有更好的气体均匀性。

图8A-8C示意出一种在进气面设置凹槽的气体分布板400，其中，图8A为气体分布板的进气面401结构示意图，图8B为气体分布板的出气面402结构示意图，图8C为气体分布板的截面结构示意图。在图8A中，环形气体分布区内设置具有一定倾斜角度的凹槽420，为了充分利用热传导层之间的空间，所述凹槽420可以有一个倾斜底面也可以包括两个倾斜底面420a和420b，两个倾斜底面使得凹槽420呈V型设计，两个倾斜底面的倾斜的角度可以相同，也可以不相同。根据图8C的截面示意图可以看出，凹槽420的两个斜面上分别设置一圈具有一定倾斜角度的第一气体通孔410a和第二气体通孔410b。在图8C所示的实施例中，位于同一环形气体分布区内的第一气体通孔410a和第二气体通孔410b错位间隔设置，位于不同的径向上，相互之间具有一定的距离，而在另外的实施例中，第一气体通孔410a和第二气体通孔410b在进气面上可以成对比肩相邻分布，两两位于同一径向上，如图6A所描述的实施例。

在图8A-8C描述的实施例中设置凹槽420可以大大降低斜孔制作的难度，由于气体分布板上的气体通孔直径较小，通常为1个毫米左右，因此当直径较小的钻头在一个平面上加工斜孔时，钻头极易发生断裂。而本发明根据气体通孔需要倾斜的角度和方向设置两个倾斜面420a和420b，可以保证钻头加工斜孔时仍然垂直于加工面(即倾斜面420a和420b)，避免钻头发生损坏，降低倾斜气体通孔的制作难度。

除此之外，倾斜面420a和420b构成的凹槽420还形成一个气体均匀分布的导流槽，根据上文所述，在尽量不改变现有背板设计的前提下，背板原有的气体通道将反应气体输送到凹槽420内，并在凹槽420内均匀扩散，形成气体等压区。经过凹槽420的均匀扩散，第一气体通孔410a和第二气体通孔410b进入反应腔内的反应气体能够保证最大程度的均匀。本发明在不改动现有背板的前提下，在气体分布板上增加了气体通孔的数量。通过在进气面设置凹槽420保证了气体的均匀分布，同时在图8B示出的出气面结构示意图中可以看到，气体通孔的出气口在出气面分布的十分均匀，相比进气面上存在热传导层的限制，本发明通过设置气体通孔倾斜一定角度，将一部分出气口设置在热传导层的下方，最大化的实现出气口的均匀分布，由于气体进入真空反应腔的分布主要受出气口的分布影响，因此，本发明提供的气体分布板可以大大提高反应气体的分布均匀性。

在气体分布板的进气面上可以设置只有斜面组成的凹槽，在另外的实施例中，为了降低气体通孔的高度，可以先将凹槽向下凹陷一定距离，再设置倾斜底面，形成类似V型的结构，如图9所示。

在图9所示的气体分布板的截面示意图中，凹槽520先垂直进气面向下凹陷一定距离，再设置两个倾斜面520a和520b，在两个倾斜面520a和520b上分别设置向中心轴线倾斜的第一气体通孔510a和向背离中心轴线方向倾斜的第二气体通孔510b。由于制作小口径高深度的孔难度较大，因此，本发明的实施例可以减小气体通孔的深度，降低制作气体通孔的难度和成本。

图10示出另一种实施例的气体分布板的截面示意图，在图10所示的实施例中，同样设置有气体凹槽620，气体凹槽设有两个倾斜底面620a和620b，为了进一步减小细直径气体通孔的深度，本发明先在倾斜底面上制作直径较大的沉孔630a和630b，然后在沉孔630a和630b的底部制作小口径的气体通孔。在本实施例中为了加工方便，沉孔630a和630b也为具有一定倾斜角度的小孔，沉孔630a和630b的底面需要设置一定倾斜角度，以便于加工第一气体通孔610a和第二气体通孔610b。在本实施例中，气体分布板上的气体通孔的高度包括气体凹槽的高度、沉孔的高度和小孔径气体通孔的高度之和，由于凹槽和沉孔的加工难度较低，而小孔径气体通孔的高度较小，因此大大降低了气体分布板上气体通孔的制作难度。同时由于气体凹槽的设计，可以很好的提高同一凹槽内气体通孔在出气面上的气体均匀性，提高了基片处理的均匀性。

在图10所示的实施例中，同一凹槽内不同斜面上的沉孔和气体通孔可以两两位于同一径向上，成对比肩设置，也可以分别位于不同径向上，互相错开一定距离。

在图11所示的实施例中，为了降低气体通孔的制作难度，可以在进气面上先制作孔径较大的沉孔，沉孔可以设置为具有一定倾斜角度的第一气体沉孔730a和第二气体沉孔730b，然后再在沉孔的倾斜底面上设置小孔径第一气体通孔710a和第二气体通孔710b。由于大孔径沉孔的制作难度第一小孔径气体通孔的制作难度，因此大大降低了气体分布板上气体通孔的制作难度。

由于气体通孔在气体分布板上加工时，倾斜角度越大，加工难度越大，因此，为了降低倾斜角度，同一环形气体分布区内设置两圈及以上气体通孔时，靠近中心轴线的一圈气体通孔设置为向中心轴线方向倾斜，远离中心轴线的一圈气体通孔设置向远离中心轴线的方向倾斜。在另外的实施例中，同一气体分布板上可以根据需要进行其他设置，例如，在气体分布板的边缘区域，为了保证气体向中心区域汇聚，可以设置边缘区域的环形气体分布区内的气体通孔都向中心轴线倾斜，倾斜的角度可以相同也可以不相同。

在本发明描述的多种实施例中，为了便于对比进气面和出气面上的气体通孔分布，都假设了气体通孔具有相同的倾斜角度，实际工作中，由于反应气体在上电极和下电极之间的分布与气体通孔在出气面上的分布有很大关系，因此气体通孔在气体分布板上的倾斜角度需要根据实际需要进行设置，可以设置为相同，也可以设置为不同。

在本发明描述的多种实施例中，为了便于对比进气面和出气面上的气体通孔分布，都假设了气体通孔的倾斜方向为朝向圆心方向或者背离圆心方向，实际工作中，由于反应气体在上电极和下电极之间的分布与气体通孔在出气面上的分布有很大关系，因此气体通孔在气体分布板上的倾斜方向需要根据实际需要进行设置，可以设置为任何需要的方向。

本发明所述的等离子体装置上施加的射频偏置功率源输出频率大于等于1万瓦，以实现对刻蚀目标层大于等于100层的基片的处理，本发明刻蚀的基片深宽比大于等于40:1。本发明中选择的射频偏置功率源的输出频率大于等于100Khz，小于等于2Mhz。

在某些实施例中，射频偏置功率源74输出一脉冲射频偏置信号。

图12为利用本发明所述的等离子体装置加工得到的基片，由图中可见，通过设置倾斜气体通孔，不仅提高气体分布板上的气体通孔密度，还降低了通过气体通孔的气体流速，避免了气体通孔的气体直接喷射到基片上造成不同区域的刻蚀均匀性不同，利用本发明的气体喷淋头制得的基片可以获得形貌良好的高深宽比深孔或槽，满足了高精度存储基片的需求。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (35)

1.一种用于等离子体装置的气体喷淋头，所述气体喷淋头包括一具有进气面和出气面的气体分布板，所述气体分布板为具有一圆心的圆盘形结构，包括一经过所述圆心并垂直所述气体分布板的中心轴线，其特征在于，所述气体分布板上包括若干具有以所述圆心为圆心的环形气体分布区；

每一环形气体分布区上设置多个贯穿所述进气面和所述出气面的气体通孔，所述气体通孔至少包括沿径向倾斜一定角度的多个第一气体通孔，所述气体通孔还包括多个第二气体通孔，所述第二气体通孔与所述中心轴线平行或与所述第一气体通孔具有不同的径向倾斜方向；

所述同一环形气体分布区中第一气体通孔和第二气体通孔中流出的气体互相远离。

2.如权利要求1所述的气体喷淋头，其特征在于：所述多个第一气体通孔的出气方向向靠近所述中心轴线方向倾斜，所述多个第二气体通孔的出气方向向远离所述中心轴线方向倾斜或与中心轴线平行。

3.如权利要求1所述的气体喷淋头，其特征在于：所述多个第一气体通孔的出气方向向远离所述中心轴线方向倾斜，所述多个第二气体通孔的出气方向向靠近所述中心轴线方向倾斜或与中心轴线平行。

4.如权利要求1所述的气体喷淋头，其特征在于：同一环形气体分布区中所述第一气体通孔和第二气体通孔在所述进气面上的开口中心到所述中心轴线具有第一径向距离差，所述同一气体分布区中所述第一气体通孔和第二气体通孔在所述出气面上的开口中心到所述中心轴线具有第二径向距离差，所述第二径向距离差大于所述第一径向距离差。

5.如权利要求2所述的气体喷淋头，其特征在于：同一气体分布区中所述第一气体通孔和第二气体通孔在所述进气面上的开口中心到所述中心轴线的距离相等，所述第一气体通孔和所述第二气体通孔交替间隔设置。

6.如权利要求4所述的气体喷淋头，其特征在于：同一气体分布区中所述第一气体通孔和第二气体通孔在所述进气面上的开口中心到所述中心轴线的距离相等，若干相邻所述第一气体通孔组成第一气体单元，若干相邻所述第二气体通孔组成第二气体单元，所述第一气体单元和第二气体单元交替间隔设置。

7.如权利要求1所述的气体喷淋头，其特征在于：所述多个第一气体通孔的出气方向向靠近所述中心轴线方向倾斜，所述多个第二气体通孔的出气方向向远离所述中心轴线方向倾斜，所述气体分布板上还设置多个第三气体通孔，所述第三气体通孔与所述中心轴线平行，所述第一气体通孔、第二气体通孔和第三气体通孔交替间隔设置。

8.如权利要求4所述的气体喷淋头，其特征在于：同一气体分布区中所述第一气体通孔和第二气体通孔在所述进气面上的开口中心到所述中心轴线存在一大于0的径向距离差。

9.如权利要求8所述的气体喷淋头，其特征在于：同一气体分布区中所述第一气体通孔在所述进气面上的开口中心到所述中心轴线的径向距离小于所述第二气体通孔在所述进气面上的开口中心到所述中心轴线的径向距离，所述第一气体通孔和所述第二气体通孔在所述进气面上的开口中心两两位于同一径向上。

10.如权利要求8所述的气体喷淋头，其特征在于：同一气体分布区中所述第一气体通孔在所述进气面上的开口中心到所述中心轴线的径向距离小于所述第二气体通孔在所述进气面上的开口中心到所述中心轴线的径向距离，所述第一气体通孔和第二气体通孔在所述进气面上的开口中心分别位于不同径向上。

11.如权利要求1所述的气体喷淋头，其特征在于：所述第一倾斜角度和所述第二倾斜角度大于等于0°小于30°。

12.如权利要求1所述的气体喷淋头，其特征在于：所述第一气体通孔和所述第二气体通孔之间的夹角大于等于5°。

13.如权利要求1所述的气体喷淋头，其特征在于：相邻两环形气体分布区之间设置环形隔离区，所述环形气体分布区和环形隔离区沿径向依次交替分布设置。

14.如权利要求13所述的气体喷淋头，其特征在于：所述环形隔离区的径向宽度大于所述气体分布区的径向宽度。

15.如权利要求13所述的气体喷淋头，其特征在于：所述气体喷淋头还包括一背板，所述背板与所述气体分布板的进气面相对，所述背板与所述气体分布板之间设置若干热传导层。

16.如权利要求15所述的气体喷淋头，其特征在于：所述热传导层设置在所述环形隔离区域上表面。

17.如权利要求16所述的气体喷淋头，其特征在于：至少部分第一气体通孔或第二气体通孔在所述出气面的开口位于所述热传导层在所述气体分布板的出气面的正投影区域内。

18.如权利要求1所述的气体喷淋头，其特征在于，所述进气面包括若干凹槽，所述凹槽具有倾斜底面，所述第一气体通孔设置在所述凹槽的倾斜底面上。

19.如权利要求18所述的气体喷淋头，其特征在于，所述凹槽包括沿着所述进气面向所述出气面凹陷的侧壁和与所述侧壁之间呈一定夹角的倾斜底面。

20.如权利要求18所述的气体喷淋头，其特征在于，所述凹槽包括两个向不同方向倾斜的倾斜底面，两个倾斜底面构成一“V”字形凹槽。

21.如权利要求20所述的气体喷淋头，其特征在于，所述第一气体通孔和第二气体通孔垂直于所述凹槽的倾斜底面向所述出气面延伸。

22.如权利要求18所述的气体喷淋头，其特征在于，所述凹槽内设置若干沉孔，所述沉孔设置在所述凹槽的倾斜底面，所述气体通孔的开口设置在所述沉孔的倾斜底面。

23.权利要求1所述的气体喷淋头，其特征在于，所述进气面上设置若干沉孔，所述沉孔具有倾斜底面，所述气体通孔的开口设置在所述沉孔的倾斜底面。

24.一种等离子体装置，包括一真空反应腔，其特征在于：所述真空反应腔内设置：

基座，用于支撑待处理的基片；

气体喷淋头，与所述基座相对设置，用于向所述真空反应腔内提供反应气体；

射频源功率源，用于将反应气体解离产生等离子体；

射频偏置功率源，施加到所述基座，用于驱动等离子体中的带电粒子对所述基片进行处理；

所述气体喷淋头具有如权利要求1所述的特征。

25.如权利要求24所述的等离子体装置，其特征在于：所述射频偏置功率源输出频率大于等于1万瓦。

26.如权利要求24所述的等离子体装置，其特征在于：所述基片刻蚀的深宽比大于等于40:1。

27.如权利要求24所述的等离子体装置，其特征在于：所述基片的刻蚀目标层大于等于100层。

28.如权利要求24所述的等离子体装置，其特征在于：所述射频偏置功率源的输出频率大于等于100Khz，小于等于2Mhz。

29.如权利要求24所述的等离子体装置，其特征在于：所述射频偏置功率源输出一脉冲射频偏置信号。

30.权利要求24所述的等离子体装置，其特征在于：所述反应腔内的气压小于等于100毫托。

31.一种制作如权利要求1所述气体喷淋头的方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供一圆盘形气体分布板，所述气体分布板包括一进气面、一出气面和

一垂直所述气体分布板的所述中心轴线，

在所述气体分布板上设置若干环形气体分布区，在所述每一气体分布区内设置多个具有第一倾斜角度的第一气体通孔和多个具有第二倾斜角度的第二气体通孔，其中，设置多个第一气体通孔的出气方向向靠近所述中心轴线方向倾斜，设置多个第二气体通孔的出气方向向远离所述中心轴线方向倾斜。

32.如权利要求31所述的方法，其特征在于，在所述气体分布板的进气面上制作若干环形凹槽，所述环形凹槽具有至少一个倾斜底面；

所述倾斜底面与所述进气面之间的夹角为0°-30°，垂直所述倾斜底面设置所述第一气体通孔和所述第二气体通孔。

33.如权利要求32所示的方法，其特征在于，在制作所述凹槽时，先垂直于所述进气面向所述出气面制作一定深度的凹陷部，再在所述凹陷部的底面制作倾斜底面。

34.如权利要求32所示的方法，其特征在于，在所述倾斜底面上设置若干沉孔，所述气体通孔的进气口设置在所述沉孔底部。

35.如权利要求32所示的方法，其特征在于，所述沉孔的直径大于所述气体通孔的直径。

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