CN103866291A - 一种耐腐蚀的气体喷淋头及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐腐蚀的气体喷淋头及其制造方法，通过将传统的气体喷淋头的气体通孔设置为直径不同的两段，在不影响气体流速的前提下提高了涂层进入气体通孔的深度，同时，采用对分别气体喷淋头上下表面涂覆陶瓷涂层，使得气体通孔的内表面可以完全涂覆防腐蚀的陶瓷涂层，保护气体通孔的侧壁不受携能粒子的轰击，延长了气体喷淋头的使用寿命。

Description

一种耐腐蚀的气体喷淋头及其制作方法

技术领域

本发明涉及等离子体处理部件，特别地，涉及一种耐腐蚀的等离子体处理部件。

背景技术

在等离子处理腔室中，气体喷淋头常被用于注入反应气体至反应腔。在特定的等离子处理腔室中，例如电容耦合型等离子体处理腔室（capacitively-coupled plasma chambers），气体喷淋头也可执行电极的功能，然而，在制程中，前述气体喷淋头曝露于等离子体中并被等离子体中的活性成份侵蚀，例如卤素等离子体CF4、Cl2等。这种现象对于易与卤素气体反应且反应物为气体的硅系材料，或者铝或铝合金等金属材料的气体喷淋头来说尤其麻烦。

在现有技术中，为了保护气体喷淋头不被等离子体侵蚀，各种各样的防侵蚀涂层已经被提出并进行验证。陶瓷涂层被认为是有希望的；然而由于涂层工艺的限制，部件表面无法全部覆盖防侵蚀涂层，特别是在气体喷淋头的通气孔内表面。气体喷淋头上设置的容许反应气体通过的通气孔具有较小的内径，通常小于1mm。现有技术常采用的涂覆陶瓷涂层的方法为等离子喷溅及化学气相沉积等方法，此类方法都存在视线效应的问题，即用于喷涂的陶瓷颗粒无法到达视线不能及的地方并对其进行涂覆，在深孔或槽等处，难以制备陶瓷涂层。如图1所示，由于用于沉积或喷涂的陶瓷颗粒源通常是固定的，距离陶瓷颗粒源越远的位置处的通气孔内表面被陶瓷涂层涂覆的面积越小，即便靠近陶瓷颗粒源的通气孔，也只有靠近陶瓷颗粒源的一端可以被陶瓷涂层涂覆，不能完全涂覆陶瓷涂层。

没有完全完成防侵蚀涂层的通气孔置于等离子体中时极易受到腐蚀，使得气体喷淋头容易遭到损害，缩短寿命。另外反应腔内的等离子体喷溅到通气孔内表面未进行防侵蚀层涂覆的位置时还容易产生颗粒物污染，落在基片表面对反应制程造成影响。故需要一种新型的耐腐蚀的气体喷淋头。

发明内容

以下发明内容是为了提供本发明的一些方面和特征的基本理解。发明内容并不是本发明的广泛综述，因此其并不是为了具体地确定本发明的关键或主要要素，也并不是为了说明本发明的范围。其唯一目的是为了以简化形式介绍本发明的一些概念，作为下文中详细描述的前序。

为了解决上述问题，本发明提供一种耐腐蚀的气体喷淋头，包括气体喷淋头主板和若干贯穿所述气体喷淋头主板的气体通道，所述气体通道包括至少第一直径通道和第二直径通道，所述第一直径小于所述第二直径，所述气体通道表面涂覆耐腐蚀层，所述耐腐蚀涂层包括微弧氧化层。

进一步的，第一直径通道的长度与第一直径大小的比例等于沉积颗粒源到气体喷淋头的垂直距离与该垂点位置到第一直径通道距离的比值。

进一步的，所述第一直径通道的长度与直径比例和所述第二直径通道的长度与直径比例分别大于5。

进一步的，所述气体通道包括第一直径通道和第二直径通道，所述第一直径小于所述第二直径，所述第一直径通道和第二直径通道之间通过一内径尺寸渐变的过渡通道相连。

进一步的，所述气体喷淋头的主体为铝或铝合金，所述铝或铝合金气体喷淋头表面进行了微弧氧化，形成的微弧氧化层表面涂覆一层陶瓷涂层。

进一步的，所述气体通道为圆形气体通孔，所述第一直径范围为0.3mm~0.8mm；所述第二直径范围为1mm~3mm。

进一步的，所述气体喷淋头的气体通孔靠近等离子体的一段内径小于远离等离子体的一段，所述两段气体通孔之间通过一漏斗状的过渡通道相连。

进一步的，本发明还提供一种制作耐腐蚀气体喷淋头的方法，所述方法包括下列步骤：

制作一气体喷淋头主板，在所述气体喷淋头主板上设置若干第一直径的通气孔；从所述第一直径的通气孔一端开始制作大体同轴的第二直径的通气孔，所述第二直径大于所述第一直径，所述第二直径的通气孔长度小于所述第一直径的通气孔长度；对所述气体喷淋头进行微弧氧化后分别在所述气体喷淋头的上表面和下表面涂覆陶瓷涂层。

进一步的，所述陶瓷涂层的表面粗糙度为1um<Ra<8um，其孔隙度小于1%。

进一步的，所述涂覆陶瓷涂层的方法为物理气相沉积法。

本发明的优点在于：本发明提供一种耐腐蚀的气体喷淋头及其制造方法，通过将传统的气体喷淋头的气体通孔设置为直径不同的至少两段，在不影响气体流速的前提下提高了耐腐蚀涂层进入气体通孔的深度，同时，采用对分别气体喷淋头上下表面涂覆陶瓷涂层，使得气体通孔的内表面可以完全涂覆防腐蚀的陶瓷涂层，保护气体通孔的侧壁不受携能粒子的轰击，延长了气体喷淋头的使用寿命。

附图说明

附图是为了解释并图示本发明的原则，其组成了说明书的一部分，例证了本发明的具体实施例以及描述。附图是为了以图示的方式说明典型具体实施例的主要特征。附图并不是为了描述具体实施例的每个特征，也并不是按照比例示出了所述元件的相对尺寸。

图1示出本发明现有技术的气体喷淋头结构示意图；

图2示出影响陶瓷涂层进入气体通孔的深度的关系示意图；

图3示出本发明所述的气体喷淋头结构示意图；

图4示出本发明所述的气体喷淋头上下表面分别进行防侵蚀涂层涂覆的结构示意图。

具体实施方式

下文将结合附图对本发明的具体实施例进行描述，提供一种气体喷淋头及其制作方法，其能改善气体喷淋头的抗腐蚀和颗粒污染性能。

现有技术中，为了保护气体喷淋头不被等离子体侵蚀，通常在气体喷淋头主体表面涂覆耐等离子体侵蚀的涂层，如陶瓷涂层等。涂覆陶瓷涂层的方法包括物理气相沉积法、等离子体喷涂等，其中，物理气相沉积法由于操作简单，对喷涂设备和环境要求不高而被普遍采用。在采用物理气相沉积法对气体喷淋头进行耐腐蚀层涂覆时，在所述气体喷淋头待涂覆表面下方设置一陶瓷沉积源，利用气体放电使陶瓷沉积源内的陶瓷蒸发并使被蒸发物质与气体都发生电离，利用电场的加速作用，使被蒸发物质及其反应产物沉积在气体喷淋头待涂覆表面。

在对气体喷淋头的待涂覆面进行涂覆的同时，气体喷淋头的气体通孔内表面也会涂覆陶瓷涂层，理想情况下，技术人员希望所有气体通孔内表面全部涂覆陶瓷涂层，以抵挡进入气体通孔的携能粒子的侵蚀，然而，由于气体通孔的直径较小，而陶瓷沉积源通常位于气体喷淋头的中心位置下方，不能随时移动，根据视线效应，陶瓷沉积源中蒸发出的物质不能在气体通孔所有内表面进行沉积，且越靠近气体喷淋头边缘的气体通孔，内表面被涂覆的面积越小。

根据气体分子碰撞理论，气体分子的平均自由程存在下述公式：

λ=1/(n*σ)

n=＝p/κT

σ=π(R1+R2)^2

其中λ为气体分子的平均自由程，n为气体分子密度，σ为碰撞截面，p为气压，T为开氏温标，κ为波尔兹曼常数，R1、R2分别为碰撞气体分子/基团/离子的半径。可以计算在工作条件下，主要对气体通孔侧壁造成损伤的氩原子平均自由程为4mm，即4mm孔深内均需耐刻蚀防护。

通常气体喷淋头的厚度即气体通孔的深度较为固定，约为10mm，考虑到气体通孔的分布密度和反应腔内所需气体流速，面对等离子体的气体通孔的内径范围应设置为0.3mm~0.8mm。本领域技术人员公知，当沉积颗粒源唯一且位于待涂覆气体喷淋头表面的正下方时，根据沉积颗粒源到气体喷淋头的垂直距离和气体喷淋头中心位置到最边缘气体通孔的距离，可以计算出涂层进入气体通孔的深度与孔径的比值。如图2所示，标记涂层进入气体通孔的深度为a’，气体通孔的直径为b’；标记沉积颗粒源到气体喷淋头的垂直距离为a，气体喷淋头中心位置到最边缘气体通孔的距离为b，a’/b’=a/b。从而得出最边缘气体通孔的涂层涂覆深度。同理可得出其他位置的气体通孔被涂覆的深度。当气体喷淋头的所有气体通孔内径要求一致时，通常要根据最靠近边缘的气体通孔被涂覆陶瓷涂层的深度进行设置。在另外的实施例中，也可以根据不同工艺对气流的要求将气体通孔的内径设置为不一致。

为了保证气体通孔内表面都能涂覆防腐蚀的陶瓷涂层，本发明提供如图3所述的耐腐蚀气体喷淋头结构示意图，包括气体喷淋头主板210，本实施例中，主板210的材质为铝或铝合金，主板210上设置若干个气体通孔，每个气体通孔包括第一直径通道230、第二直径通道220，第一直径通道230靠近等离子体，第二直径通道距等离子体较远。第一直径小于第二直径，为了使得第一直径通道230和第二直径通道220的连接更流畅，加工工艺更简单，所述气体通孔还包括连接第一直径通道和第二直径通道的过渡通道240，过渡通道240的直径大小逐渐变化。

根据本发明的描述，受气体喷淋头的气体通孔密度和反应气体流速的限制，面对等离子的第一直径通道230直径较小，导致陶瓷涂层进入气体通孔的深度较小，不能很好的保护气体通孔侧壁。本发明通过在第一直径通道230上方设置一较大直径的第二直径通道220，并且在第一直径通道230和第二直径通道220连接处设置一直径逐渐变化的过度通道240，在不影响气体喷淋头气体流速的前提下，使得陶瓷涂层进入气体通孔的深度变大，从而可以更好的保护气体通孔侧壁。

第一直径通道230的高度取决于第一直径大小和沉积颗粒源到气体喷淋头的垂直距离与气体喷淋头中心位置到气体通孔的距离的比值大小。在气体喷淋头厚度一定的前提下，第二直径通道220的高度取决于第一直径通道230的高度和过渡通道240的高度（可以为零）。

本发明提供一具体实施例，在本实施例中，气体喷淋头的厚度为10mm，沉积颗粒源到气体喷淋头的垂直距离a为750mm，气体喷淋头中心位置到最边缘气体通孔的距离b为150mm，故陶瓷涂层进入气体通孔的深度与孔径的比值为5，本实施例要求设置的气体通孔内径一致为0.5mm，可以得出陶瓷涂层进入气体通孔的深度为2.5mm。已知主要对气体通孔侧壁造成损伤的氩原子平均自由程为4mm，2.5mm＜4mm。在本实施例中，为了保证气体通孔的内表面完全涂覆陶瓷涂层，将第一直径通道230的高度设置为2.5mm，第二直径通道220直径设置为1.5mm，第二直径通道220的高度设置为6.5mm，同时设置一段高度为1mm的过渡通道240。过渡通道240的直径由第二直径通道220到第一直径通道230逐渐减小，形状可以为喇叭状、漏斗状或碗状等。

本发明通过设置两段直径不同的气体通孔，在不影响气体流速的前提下扩大了气体通孔的内径，提高了防腐蚀涂层进入气体通孔的深度。同时，由于携能粒子在真空中飞行，会与其他粒子如气体分子，离子等发生碰撞，从而将动能转移给其他粒子，携能粒子在等离子体表面的鞘层获得的能量，随着进入气体通孔后不断发生碰撞而损失，飞行距离越远，碰撞次数越多，损失的能量越多，碰撞气体通孔侧壁时造成的轰击损伤越小，扩大气体通孔的内径，减小了携能粒子对气体孔壁的损伤，更好的保护了气体喷淋头。设置一段过渡通道240，即时携能粒子与气体通孔侧壁发生碰撞，产生颗粒污染物，产生的颗粒污染物也会落在过渡通道240的侧壁上，减少颗粒污染物对反应制程的影响。

为了使本发明所述的气体喷淋头耐腐蚀效果更好，可以对气体喷淋头进行微弧氧化处理，在铝或铝合金的主板210外表面及气体通孔的内表面形成微弧氧化膜，在微弧氧化膜外涂覆陶瓷涂层。形成的微弧氧化涂层氧化深度可达200um-300um，为刚玉结构，致密度可达98%，具有良好的结构和组织稳定性。从而增加气体喷淋头的耐腐蚀性能。

本发明还提供一种制作耐腐蚀气体喷淋头的方法，首先，制作一气体喷淋头主板，在所述气体喷淋头主板上设置若干第一直径通气孔230；所述第一直径通气孔230直径可以相同，也可以根据不同的工艺要求设置为不同，本实施例设置为相同。在第一直径通气孔230远离等离子体的一端开始制作第二直径通气孔220，第二直径通气孔220和第一直径通气孔230大体同轴，所述第二直径大于所述第一直径，第二直径通气孔220长度小于第一直径通气孔230长度；

对所述气体喷淋头进行微弧氧化处理，然后分别在所述气体喷淋头的上表面和下表面涂覆陶瓷涂层。所述陶瓷涂层的表面粗糙度为1um<Ra<8um，其孔隙度小于1%。采用设置两段气体通孔和双面沉积陶瓷涂层的方法，使得气体通孔内表面完全涂覆陶瓷涂层，很好的保护了气体通孔侧壁不受携能粒子的轰击，从而延长了气体喷淋头的使用寿命。

需要说明的是，本文中提及的制程和技术并不是固有地与任何特定地装置有关，其可以用任何合适的部件组合而得到。进一步地，根据本专利的教示和描述，多种类型的通用装置可以被使用。本发明根据特定例子进行了描述，其只是为了从各方面说明本发明而并不是限制本发明。本领域技术人员应当理解，许多不同的组合适合于实施本发明。

并且，对于熟悉本领域的技术人员而言，根据本专利所公开的说明书和操作，实施本发明的其它的实施方式将是显而易见的。上文中具体实施例的不同方面和/或部件可以单一或者组合地应用。需要说明的是，上文所述具体实施例和方式都应仅考虑为例证性的，本发明的真正范围和精神都应以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种耐腐蚀的气体喷淋头，包括气体喷淋头主板和若干贯穿所述气体喷淋头主板的气体通道，其特征在于：所述气体通道包括至少第一直径通道和第二直径通道，所述第一直径小于所述第二直径，所述气体通道表面涂覆耐腐蚀层，所述耐腐蚀涂层包括微弧氧化层。

2.根据权利要求1所述的气体喷淋头，其特征在于：第一直径通道的长度与第一直径大小的比例等于沉积颗粒源到气体喷淋头的垂直距离与该垂点位置到第一直径通道距离的比值。

3.根据权利要求1所述的气体喷淋头，其特征在于：第一直径通道的长度与直径比例和所述第二直径通道的长度与直径比例分别大于5。

4.根据权利要求1所述的气体喷淋头，其特征在于：所述气体通道包括第一直径通道和第二直径通道，所述第一直径小于所述第二直径，所述第一直径通道和第二直径通道之间通过一内径尺寸渐变的过渡通道相连。

5.根据权利要求1所述的气体喷淋头，其特征在于：所述气体喷淋头的主体为铝或铝合金，所述铝或铝合金气体喷淋头表面进行了微弧氧化，形成的微弧氧化层表面涂覆一层陶瓷涂层。

6.根据权利要求1所述的气体喷淋头，其特征在于，所述气体通道为圆形气体通孔，所述第一直径范围为0.3mm~0.8mm；所述第二直径范围为1mm~3mm。

7.根据权利要求2所述的气体喷淋头，其特征在于：所述气体喷淋头的气体通孔靠近等离子体的一段内径小于远离等离子体的一段，所述两段气体通孔之间通过一漏斗状的过渡通道相连。

8.一种制作耐腐蚀气体喷淋头的方法，其特征在于：所述方法包括下列步骤：

制作一气体喷淋头主板，在所述气体喷淋头主板上设置若干第一直径的通气孔；从所述第一直径的通气孔一端开始制作大体同轴的第二直径的通气孔，所述第二直径大于所述第一直径，所述第二直径的通气孔长度小于所述第一直径的通气孔长度；

对所述气体喷淋头进行微弧氧化处理，然后分别在所述气体喷淋头的上表面和下表面涂覆陶瓷涂层。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述陶瓷涂层的表面粗糙度为1um<Ra<8um，其孔隙度小于1%。

10.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：所述涂覆陶瓷涂层的方法为物理气相沉积法。

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