CN102522306A - 喷淋头 - Google Patents

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倪图强
彭帆
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Abstract

本发明提供一种喷淋头，包括：喷淋头基体；所述喷淋头基体上覆盖有硅或碳化硅层；其中，所述硅或碳化硅层表面覆盖有氧化钇层。采用本发明提供的喷淋头，其抗刻蚀能力强，寿命长。

Description

喷淋头
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种喷淋头。
背景技术
近年来，在半导体制造领域，使用了用于向半导体晶片等基板以喷淋状供气的喷淋头。例如在等离子体刻蚀处理设备中，在处理室内设置有用于载置基板的载置台，与该载置台相对的位置设置有喷淋头，该喷淋头的表面设置有多个气体喷出孔，以喷淋状供给气体来产生等离子体。在上述等离子体处理装置中，因为在处理腔室内产生等离子体，所以喷淋头的温度一般较高。
现有的喷淋头其基体一般为铝，但是铝容易在等离子环境下被腐蚀，导致该喷淋头的寿命不长。针对这个问题，现有技术中通过在该基体的外表面覆盖一层抗刻蚀能力比铝强的氧化铝(Al2O3)，然而，由于喷淋头在使用时其表面与等离子体接触，而氧化铝表面易与含氟的等离子体反应而生成氟化铝颗粒，该颗粒逐渐堆积形成大的颗粒物，掉落在待刻蚀晶片上会导致污染，因而氧化铝并不是喷淋头覆盖层的优选材质，行业内逐渐被不易产生颗粒污染且散热性能佳的硅(热传导率：149Wm-1K-1)或碳化硅(热传导率：150Wm-1K-1)覆盖层所取代。
然而，本发明人发现，在具有该硅或碳化硅覆盖层的喷淋头使用一段时间后，由于等离子体的刻蚀，硅或碳化硅会与刻蚀气体反应，逐渐出现喷淋头厚度变薄，气体喷出孔逐渐变大等问题，因而，行业内急需抗刻蚀能力更强的喷淋头出现。
基于此，本发明提出一种新的喷淋头，以满足上述行业内需求。
发明内容
本发明实现的目的是提出一种新的喷淋头，该喷淋头的抗刻蚀能力强。
为实现上述目的，本发明提供一种喷淋头，包括：
喷淋头基体；
所述喷淋头基体上覆盖有硅或碳化硅层；
其中，所述硅或碳化硅层表面覆盖有氧化钇层。
可选地，所述氧化钇层通过化学气相沉积法、物理气相沉积法或等离子体增强化学气相沉积法形成。
可选地，所述氧化钇层通过溶胶-凝胶法形成。
可选地，所述氧化钇层中还掺有氟化钇、氧化铒、碳化硅、氮化硅、氧化锆、氧化铝中的至少一种。
可选地，所述氧化钇层的厚度范围为5微米-500微米。
可选地，所述氧化钇层的厚度范围为5微米-200微米。
可选地，所述硅或碳化硅层的厚度范围为0.1毫米-15毫米。
可选地，所述氧化钇层的疏松度为不大于1％。
可选地，所述喷淋头具有直径范围为0.1毫米-5毫米的喷气孔。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：采用氧化钇这种抗刻蚀能力强的材质覆盖在硅或碳化硅表面，增强了喷淋头的使用寿命；
进一步地，由于喷淋头在使用过程中需承受热量，本发明提出通过化学气相沉积法、物理气相沉积法、等离子体增强化学气相沉积法或溶胶-凝胶法形成该氧化钇层，上述方法形成的氧化钇层的致密度很高，疏松度小，与铝基材料相比，该疏松度小的氧化钇层的热膨胀系数与硅及碳化硅的热膨胀系数相近，因而覆盖在硅及碳化硅上的氧化钇层不易出现裂纹等缺陷。
附图说明
图1是本实施例提供的喷淋头的结构示意图；
图2是实验前后厚度的变化关系图；
图3是实验前后气孔的直径变化关系图。
具体实施方式
本发明采用氧化钇这种抗刻蚀能力强的材质覆盖在硅或碳化硅表面，增强了喷淋头的使用寿命。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。由于重在说明本发明的原理，因此，未按比例制图。
图1所示为本实施例提供的喷淋头的示意图。该喷淋头包括：
喷淋头基体11；
所述喷淋头基体11上覆盖有硅或碳化硅层12；
所述硅或碳化硅层12表面覆盖的氧化钇层13。
喷淋头基体11的材质一般为金属，在等离子体刻蚀过程中，等离子产生装置会发热，该热量需要通过喷淋头散发出去，现有的喷淋头一般使用散热效果好而成本较低的铝制成。
然而，如背景技术中所述，铝的抗刻蚀能力较差，而且容易产生颗粒污染，为了克服这些缺陷，在基体11的表面覆盖一层保护层，同时基于散热的目的，该保护层的散热效果要较好。由于硅或碳化硅的热导率较大，分别为149Wm-1K-1与150Wm-1K-1，同时在等离子体刻蚀过程中，硅与含氟气体会生成SiF4，碳化硅与含氟气体会生成或SiF4，CO，CO2等气体，在刻蚀过程中会被抽走，该两种材质迎合了上述散热及不易产生污染物的需求。但是，覆盖有硅或碳化硅的包覆层的喷淋头使用一段时间后，仍然会出现喷淋头厚度变薄，用于气体通过的喷气孔越来越大，使该喷淋头的性能变得不符合要求。
基于此，本实施例提出采用抗刻蚀能力强的氧化钇覆盖喷淋头，然而，氧化钇的导热性能很差，其热传导率只有3.8Wm-1K-1，相对于基体铝的热传导率125Wm-1K-1来说，其散热效果较差，因而，本发明提出的喷淋头表面仍包覆硅或碳化硅层12，氧化钇层13覆盖在该层12之上，且氧化钇层13的厚度较薄，例如：硅或碳化硅层12厚度为0.5毫米-15毫米时，氧化钇层13的厚度只有5微米-500微米，例如10微米、50微米、100微米、200微米等。
此外，氧化钇的形成方式有多种，简单的有热喷涂法，然而，本发明人发现，热喷涂法形成的氧化钇层13虽然抗刻蚀能力强于硅或碳化硅，满足抗刻蚀需求，但是其形成过程为采用等离子加热使氧化钇以半熔融状态喷出溅射在喷淋头基体上，由于该半熔融氧化钇颗粒喷到喷淋头上后温度开始降低，半熔融态的类似球状液滴体积开始收缩，之后一批批颗粒被逐渐喷涂堆叠起来，后喷涂的颗粒与在先喷涂的颗粒的体积收缩时间及收缩速度不一样，因而最终形成的氧化钇层13内会出现很多孔洞结构，即疏松度较大，一般为3％-5％，此处所指的疏松度是指一块材料的非固体物质的体积与整体的体积之间的比值。热喷涂法形成的氧化钇层13的疏松度较大，因而实际使用要求的氧化钇层往往较厚(通常为0.2毫米以上)。由于该热喷涂法形成的厚氧化钇层13(热膨胀系数为5.9×10-6K-1)跟硅(热膨胀系数范围2.6×10-6K-1-3.2×10-6K-1)或碳化硅(热膨胀系数范围2.9×10-6K-1-3.2×10-6K-1)的热膨胀系数相差较大(不匹配)，因而实际使用时表面容易出现裂纹等缺陷。
因而，本实施例提出通过化学气相沉积法、物理气相沉积法、等离子体增强化学气相沉积法或溶胶-凝胶法形成氧化钇层，该方法中使用的参数都为现有工艺中的参数。上述方法形成的氧化钇层的致密度提高，其疏松度小于1％，并且可以减小为0，因而往往实际使用的氧化钇层较薄，这样就可以降低由于与硅或碳化硅的热膨胀系数不匹配而产生裂纹的倾向。
在具体实施过程中，氧化钇层13中还可以掺有氟化钇、氧化铒、碳化硅、氮化硅、氧化锆或氧化铝，上述掺杂物可以提高氧化钇层13的热传导性能以及抗等离子体刻蚀性能。
此外，本实施例提供的氧化钇层13的表面很容易制作直径小的喷气孔14，本实施例中，喷气孔14的直径为0.55毫米。其它实施例中，该直径范围可以为0.1毫米-5毫米。
为了验证本实施例提出的喷淋头的抗刻蚀性能，本发明人进行了极限实验。
以直径330mm，厚度12毫米的碳化硅喷淋头表面包覆30微米氧化钇层13为例，实验选用的是电容耦合等离子反应腔室(CCP)，参数分别如下：
步骤S11，压强条件100mT，功率条件：3300W，通入含有CF4、Ar和O2的混合气体，持续时间50秒；
步骤S12，压强条件35mT，功率条件：3250W，通入含有C4F8、Ar和O2的混含气体，持续时间40秒；
步骤S13，压强条件50mT，功率条件：1500W，通入含有CF4和O2的混合气体，持续时间20秒；
步骤S14，压强条件50mT，功率条件：3800W，通入O2气体，持续时间40秒；
步骤S15，压强条件300mT，功率条件：500W，通入O2气体，持续时间20秒。
上述S11-S15步骤反复执行83个射频小时(RF hours)，并在实验实施前后对喷淋头的厚度及气孔直径进行测量。结果发现实验前后，其喷淋头的厚度的测试分别如图2中的实线与虚线所示，其中，实线代表测试前的厚度，虚线代表测试后的厚度。横坐标为各测量点与喷淋头中心的距离，纵坐标为各测量点所在喷淋头的厚度。由图2可以看出，在使用前后，由于喷淋头的厚度基本无变化，因而可以推断该氧化钇层13的厚度基本无变化。
上述S11-S15步骤反复执行83个射频小时后，与执行前，喷淋头喷气孔14的直径变化分别如图3中的实线与虚线所示，其中，实线代表测试前的直径，虚线代表测试后的直径。横坐标为各测量点与喷淋头中心的距离，纵坐标为各测量点之处的喷气孔的直径尺寸。由图3可以看出，在使用前后，喷气孔14的直径基本无变化。
由于一般硅或碳化硅被等离子体刻蚀的速率为每小时1微米或以上，而具有氧化钇覆盖层的喷淋头在使用83个射频小时后，其喷淋头厚度及喷气孔直径均无显著变化，因而可以断定具有氧化钇覆盖层的喷淋头抗刻蚀能力强，使用寿命长。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：采用氧化钇这种抗刻蚀能力强的材质覆盖在硅或碳化硅表面，增强了喷淋头的使用寿命。
通过化学气相沉积法、物理气相沉积法、等离子体增强化学气相沉积法或溶胶-凝胶法形成的氧化钇层，由于其致密度很高而涂层厚度减薄，增强了氧化钇层与硅或碳化硅基体(包覆层)的结合力，不易出现裂纹等现象，从而改善了喷淋头的使用功能。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种喷淋头，包括：
喷淋头基体；
所述喷淋头基体上覆盖有硅或碳化硅层；
其特征在于，所述硅或碳化硅层表面覆盖有氧化钇层。
2.根据权利要求1所述的喷淋头，其特征在于，所述氧化钇层通过化学气相沉积法、物理气相沉积法或等离子体增强化学气相沉积法形成。
3.根据权利要求1所述的喷淋头，其特征在于，所述氧化钇层通过溶胶-凝胶法形成。
4.根据权利要求1所述的喷淋头，其特征在于，所述氧化钇层中还掺有氟化钇、氧化铒、碳化硅、氮化硅、氧化锆、氧化铝中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的喷淋头，其特征在于，所述氧化钇层的厚度范围为5微米-500微米。
6.根据权利要求5所述的喷淋头，其特征在于，所述氧化钇层的厚度范围为5微米-200微米。
7.根据权利要求1或5所述的喷淋头，其特征在于，所述硅或碳化硅层的厚度范围为0.1毫米-15毫米。
8.根据权利要求2或3所述的喷淋头，其特征在于，所述氧化钇层的疏松度不大于1％。
9.根据权利要求1所述的喷淋头，其特征在于，所述喷淋头具有直径范围为0.1毫米-5毫米的喷气孔。
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