CN106328471B - 气体喷淋头及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种气体喷淋头及其制作方法，用以降低制作的难度。其中的制作方法通过可包括以下步骤：提供第一部件与第二部件，在所述第一部件内形成第一气体通孔，在所述第二部件内形成第二气体通孔；以第一气体通孔与第二气体通孔相对齐的方式，将所述第一部件与所述第二部件叠放在一起，并在第一部件与第二部件之间放置中间层材料；通过扩散焊接的方式将第一部件与第二部件结合为一体，以形成具有气体通孔的气体喷淋头或该气体喷淋头的一部分，其中，所述第一气体通孔、所述第二气体通孔均为所述气体通孔的一部分。

Description

气体喷淋头及其制作方法

技术领域

本发明涉及用于等离子体刻蚀装置的气体喷淋头，还涉及该气体喷淋头制作方法的改进。

背景技术

在等离子体刻蚀装置（尤其是电容耦合型等离子体刻蚀装置）中，气体喷淋头通常与用于保持基片（如半导体晶片）的基座相对设置。该气体喷淋头通常具有两个作用：一个是作为导电的上电极，这通常要求气体喷淋头的主要部分（通常指基体）由导电率较好的材质（如，类似于铝的金属，或者，如硅、碳化硅、石墨、氮化硅等非金属）制成。另一作用是作为处理气体进入反应室的通道，这通常要求气体喷淋头内部设置作为气体进入路径的气体通孔。为了保证气体传输具有较理想的效果，通常要求这些气体通孔具有较小的直径或宽度。

在较厚的气体喷淋头内加工小直径通孔的难度很大。一般而言，待加工通孔的深度与直径的比值（深宽比）越大，加工就越困难，伴随的加工风险也越大。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种气体喷淋头的制作方法，包括：

提供第一部件与第二部件，在所述第一部件内形成第一气体通孔，在所述第二部件内形成第二气体通孔；

以第一气体通孔与第二气体通孔相对齐的方式，将所述第一部件与所述第二部件叠放在一起，并在第一部件与第二部件之间放置中间层材料；

通过扩散焊接的方式将第一部件与第二部件结合为一体，以形成具有气体通孔的气体喷淋头或该气体喷淋头的一部分，其中，所述第一气体通孔、所述第二气体通孔均为所述气体通孔的一部分。

可选的，所述第一部件与所述第二部件由相同材料制成。

可选的，所述第一部件与所述第二部件均由硅或碳化硅或氮化硅或石墨制成。

可选的，所述中间层材料包括粉末状的氧化硅。

可选的，所述扩散焊接的温度控制在1050到1150摄氏度之间。

可选的，所述中间层材料包括金、金锡合金、铜、锡铜合金中的一种或多种。

可选的，所述扩散焊接的温度控制在所述第一部件的融化温度或分解温度的0.5倍到0.8倍之间。

可选的，用于与第二部件相接合的所述第一部件的接合面上设置有焊接区与非焊接区，所述中间层材料仅分布在所述焊接区，所述第一气体通孔设置在所述非焊接区；

对应的，用于与第一部件相接合的所述第二部件的接合面上设置有焊接区与非焊接区，分别与所述第一部件的焊接区与非焊接区相对应，所述第二气体通孔设置在所述第二部件的所述非焊接区。

可选的，对于任一焊接区与和其相邻的气体通孔而言，两者所在的接合面区域均不在同一高度上。

可选的，所述第一部件与第二部件中的一个的接合面上设置有凸部，另一个的接合面对应地设置有凹部，所述中间层材料分布在所述凸部与所述凹部所在的区域。

可选的，所述凸部与所述凹部呈环形。

可选的，所述凸部与所述凹部的截面为矩形。

可选的，所述第一部件与第二部件中的一个的接合面上设置有凸部，另一个的接合面对应地设置有凹部，所述气体通孔设置在所述凸部与所述凹部所在的区域内。

可选的，所述第一部件与第二部件的接合面上具有多个同心分布的、环形的凸部与凹部，每一环形的凸部或凹部内设置有多个气体通孔。

可选的，所述凸部与所述凹部的截面为矩形。

可选的，所述焊接区与所述非焊接区之间设置有扩散抑制部，用于抑制扩散焊接过程中中间层材料向非焊接区的扩散。

可选的，所述扩散抑制部包括至少一坡，所述坡可使得所述接合面不再为平坦的表面。

可选的，所述第二气体通孔的宽度小于所述第一气体通孔的宽度，并且所述第二气体通孔位于所述第一气体通孔的下游。

根据本发明的另一个方面，提供一种气体喷淋头，包括：

第一部件；

第二部件，所述第二部件与所述第一部件由相同材料制成；

中间层材料，所述中间层材料设置在所述第一部件与所述第二部件之间，用于将它们结合为一体。

可选的，结合为一体的所述第一部件与所述第二部件为气体喷淋头的基体的组成部分；所述第一部件内形成有第一气体通孔，所述第二部件内形成有第二气体通孔，所述第二气体通孔与所述第一气体通孔相连通。

可选的，所述第一部件与所述第二部件均由硅或碳化硅或氮化硅或石墨制成。

可选的，所述中间层材料包括氧化硅。

可选的，所述中间层材料包括金、金锡合金、铜、锡铜合金中的一种或多种。

可选的，用于与第二部件相接合的所述第一部件的接合面上设置有焊接区与非焊接区，所述中间层材料仅分布在所述焊接区，所述第一气体通孔设置在所述非焊接区；

对应的，用于与第一部件相接合的所述第二部件的接合面上设置有焊接区与非焊接区，分别与所述第一部件的焊接区与非焊接区相对应，所述第二气体通孔设置在所述第二部件的所述非焊接区。

可选的，对于任一焊接区与和其相邻的气体通孔而言，两者所在的接合面均不在同一高度上。

可选的，所述第一部件与第二部件中的一个的接合面上设置有凸部，另一个的接合面对应地设置有凹部，所述中间层材料分布在所述凸部与所述凹部所在的区域。

可选的，所述凸部与所述凹部呈环形。

可选的，所述凸部与所述凹部的截面为矩形。

可选的，所述第一部件与第二部件中的一个的接合面上设置有凸部，另一个的接合面对应地设置有凹部，所述气体通孔设置在所述凸部与所述凹部所在的区域内。

可选的，所述第一部件与第二部件的接合面上具有多个同心分布的、环形的凸部与凹部，每一环形的凸部或凹部内设置有多个气体通孔。

可选的，所述凸部与所述凹部的截面为矩形。

可选的，所述焊接区与所述非焊接区之间设置有扩散抑制部，用于抑制扩散焊接过程中中间层材料向非焊接区的扩散。

可选的，所述扩散抑制部包括至少一坡，所述坡可使得所述接合面不再为平坦的表面。

可选的，所述第二气体通孔的宽度小于所述第一气体通孔的宽度，并且所述第二气体通孔位于所述第一气体通孔的下游。

可选的，气体喷淋头的所述基体呈圆形。

可选的，结合为一体的所述第一部件与所述第二部件为气体喷淋头的外环的组成部分，所述外环呈空心环形。

可选的，所述外环还包括一个或多个部件，所述一个或多个部件与所述第一部件、所述第二部件首尾相接共同围成所述外环。

可选的，所述第一部件与所述第二部件之间的接合面上形成有台阶部。

附图说明

图1是本发明一个实施例中的电容耦合型等离子体刻蚀装置的结构示意图；

图2与图3是可使用在图1所示等离子体刻蚀装置中的气体喷淋头的一个实施例的结构示意图，其中，图2是该气体喷淋头的俯视图，图3是图2沿A-A的剖视图；

图4是气体喷淋头制作方法的一个实施例的流程示意图；

图5与图6是气体喷淋头另一实施例的结构示意图；

图7是图5与图6所示气体喷淋头的一种变更实施例的结构示意图；

图8是气体喷淋头的外环的一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

图1是本发明一个实施例中的电容耦合型等离子体刻蚀装置的结构示意图。如图1所示，该等离子体刻蚀装置具有一反应室100。反应室100内部下方设置有基座22，基座22内设置有下电极（图中未显示）。既作为气体进入通道又作为上电极的气体喷淋头11固定在反应室100的顶部，并与基座22相对。气体喷淋头11通过气体管道（图中未标示）连接到气源110。

基座22上方包括一个基片固定装置21（比如，静电夹盘），用以固定基片20。一个边缘环10围绕基片20和基片固定装置21。至少一个射频电源（图中未标示）向基座22内的下电极提供射频电场。该射频电场可将自气体喷淋头11进入的气体电离为等离子体并使之维持为等离子体状态。

图2与图3是可使用在上述等离子体刻蚀装置中的气体喷淋头的一个实施例的结构示意图。其中，图2是该气体喷淋头的俯视图，图3是图2沿A-A的剖视图。如图2与图3所示，气体喷淋头11，包括：

第一部件3，所述第一部件3内形成有第一气体通孔32；

第二部件5，所述第二部件5内形成有第二气体通孔52，所述第二气体通孔52与所述第一气体通孔32相连通；

中间层材料7，所述中间层材料7设置在所述第一部件3与所述第二部件5之间，用于将它们结合或者说粘合为一体。

在图中所示的实施例中，结合为一体的所述第一部件3与所述第二部件5共同构成了气体喷淋头的基体（或者说主体部分），该基体的各部分均由导电性质较好的材质制成，以充当上电极。作为一个较佳的实施例，第二部件与第一部件可由相同材料制成，比如，两者可均由硅或碳化硅或氮化硅或石墨制成。在其它实施例中，第一部件与第二部件也可由不同的、导电性质较好的材质（如硅、碳化硅、氮化硅、石墨等）制成，比如，它们中的一个的材质可为硅，另一个的材质可为碳化硅或氮化硅。

中间层材料7的材质选择与第一部件3、第二部件5的材质相关。由于中间层材料7充当的是第一部件3与第二部件5在高温扩散焊接过程中的过渡层，因而，通常需要满足两个条件：（1）中间层材料在合适的高温条件下要能够很好地扩散至第一部件、第二部件；（2）中间层材料的熔点通常要小于第一部件、第二部件的熔点或分解点（假如第一部件或第二部件没有熔点的话）。

当第一部件、第二部件的材质为硅、碳化硅、氮化硅或石墨时，金、金锡合金、铜、锡铜合金等材料中的任意一种或任意几种作为中间层材料均可很好地胜任。

当第一部件与第二部件的材质均为硅时，包含氧化硅（粉末状）与助熔剂（其用以降低氧化硅的熔点）的中间层材料可算是（本发明人所知的）更佳的选择；扩散焊接的温度可控制在1050到1150摄氏度之间。

除包括第一部件3、第二部件5外，气体喷淋头11还可包括其它部件，比如，设置在第一部件3上方、用于将气体喷淋头11固定在反应室100顶部的安装部（图中未显示），以及设置在第二部件5下方、用于防止位于反应室100内的等离子体侵蚀第二部件5与第一部件3的抗侵蚀层（图中未显示）。

在本实施例中，气体喷淋头11的基体（或者说主体部分）由上下两层部件（即第一部件3与第二部件5）构成。由于每一部件的厚度均较小，因而，在每一部件内加工气体通孔的难度得以减小，通孔加工过程中部件被损毁的风险也得以降低。在其它实施例中，比如，由于基体厚度过大，即便将其分割为上下两层，仍难以保证每一部件的厚度足够薄时，可以考虑将基体为分割为更多层，例如，三层、四层或五层等；在每一层（或者说部件）内加工好气体通孔后，通过层与层之间的中间层材料将它们整个结合为一体。

图4是上述气体喷淋头的一种制作方法的流程示意图。如图4所示，该制作方法至少包括以下步骤：

S1：提供第一部件与第二部件；

S2：在所述第一部件内形成第一气体通孔，在所述第二部件内形成第二气体通孔；

S3：以第一气体通孔与第二气体通孔相对齐的方式，将所述第一部件与所述第二部件叠放在一起，并在第一部件与第二部件之间放置中间层材料；

S4：通过扩散焊接的方式将第一部件与第二部件结合为一体，以形成具有气体通孔的气体喷淋头或该气体喷淋头的一部分，其中，所述第一气体通孔、所述第二气体通孔均为所述气体通孔的一部分。

由于第一气体通孔、第二气体通孔的深宽比均远小于整个气体通孔的深宽比，因而，单独加工第一气体通孔、第二气体通孔的难度均较小，通孔加工过程中部件被损毁的风险也得以降低。

说明一点，为了获得较佳的焊接质量，在步骤S4中，扩散焊接的温度最好控制在第一部件、第二部件熔化温度（假如不存在熔化温度的话，以分解温度代替）的0.5到0.8倍之间。

假如气体喷淋头的基体由三层以上部件构成时，其制作方法类似：先分别在每一部件上加工气体通孔；而后将所有部件叠放在一起，叠放的过程中在部件与部件之间加入中间层材料；最后，可通过扩散焊接的方式将所有部件结合为一体。

图5与图6所示气体喷淋头411是图2与图3所示气体喷淋头11的进一步改进，它具有气体喷淋头11的几乎所有结构特征，因而它也具有气体喷淋头11的所有优点；并且，它也可以前面所述的相同的方法来制作。气体喷淋头411的主要改进之处在于：它具有特殊的配置，用以避免或减少中间层材料在扩散焊接过程中进入气体通孔。在上述焊接过程中扩散至气体通孔的中间层材料通常会是颗粒污染的重要来源——位于气体通孔内的这些颗粒容易被进入的气体裹挟入反应室造成基片的污染。

图5是气体喷淋头411的剖视图，图6是图5中局部区域D的放大视图。如图5与图6所示，用于与第二部件45相接合的第一部件43的接合面（图中第一部件43的下表面）上设置有焊接区（即，用于放置中间层材料的区域）47与非焊接区（即，焊接区外的其它接合面区域）436，中间层材料47（由于中间层材料所在的区域即为焊接区，为方便计，这里让它们两个用同一个符号47标示）仅分布在所述焊接区47，第一气体通孔432仅设置在所述非焊接区436，并与所述焊接区47相隔一段距离。对应的，用于与第一部件43相接合的第二部件45的接合面（图中第二部件45的上表面）上设置有焊接区47与非焊接区436（理论上，第一部件的接合面与第二部件的接合面应为不同的表面。但是，在两者焊接后，这两个面趋近于共面；至少在给定的示意图5、6中难以区分出这两个面，因而，为简便计，这里将它们的焊接区用同一符号47标示，将它们的非焊接区也用同一个符号436标示。即便如此，在实际中也应将它们理解为不同的元件），分别与第一部件43的焊接区与非焊接区相对应，第二气体通孔452设置在所述第二部件45的所述非焊接区436，并与所述焊接区47相隔一段距离。也就是说，即便是距焊接区最近的第一或第二气体通孔也会与焊接区保持一段距离，该段距离作为两者间的过度区，可以避免或减少焊接过程中扩散至气体通孔的中间层材料。

为进一步抑制这种扩散，可以做以下布置：对于任一焊接区与和其相邻的气体通孔而言，两者所在的接合面均不在同一高度上。大量实验表明，它们之间存在的这种高度差可显著降低中间层材料向气体通孔的扩散。在一个实施例中，如图6所示，可以在第一部件43与第二部件45的其中一个（图中指的是第一部件43）的接合面上设置有凸部430，另一个（图中指的是第二部件45）的接合面对应地设置有凹部（图中未标示；图中第二部件45用于容纳凸部430的区域），所述中间层材料47被放置在所述凸部430与所述凹部的表面。在图中所示的实施例中，从俯视的角度（也就是类似于图2的视角）来看，所述凸部430与所述凹部均呈环形；所述凸部430与所述凹部的截面则均为矩形。当然，在其它实施例中，凸部与凹部也可为其它形状，如三角形、梯形、半圆形等。

图7所示气体喷淋头611是图5与图6所示气体喷淋头411的变更例。与前面实施例类似，如图7所示，在气体喷淋头611中，第一部件63与第二部件65中的一个（图中指的是第一部件63）的接合面上设置有凸部630，另一个（图中指的是第二部件65）的接合面对应地设置有凹部650。与气体喷淋头411的主要区别在于，气体喷淋头611中，气体通孔（包括第一部件63内的第一气体通孔632与第二部件65内的第二气体通孔652）仅设置在所述凸部630与所述凹部650所在的区域内。也就是说，凸部630与凹部650所在的区域为非焊接区；其它区域为焊接区，用于放置中间层材料67。

由于气体通孔数目众多且呈同心圆式分布于气体喷淋头（类似于图2中所示），因而，相对应的，第一部件与第二部件的接合面上也可设置多个呈同心分布且每个均为圆环形的凸部与凹部，每一环形的凸部或凹部内设置有多个气体通孔。与前面实施例类似，凸部与凹部的截面形状可为矩形或其它形状。

在前面所描述的图5与图6所示的实施例，以及图7所示的实施例中，焊接区与非焊接区位于不同的高度上。但是，在其它实施例中，气体喷淋头的焊接区与非焊接区也可位于同一高度上。为抑制焊接区的中间层材料在焊接过程中扩散至非焊接区的气体通孔，所述焊接区与所述非焊接区之间的接合面上可设置有扩散抑制部。一般而言，该扩散抑制部只要具有一坡（或者说坡度），能使得位于焊接区与非焊接区之间的中间区域的表面不再与焊接区共面，就可实现对前述扩散的抑制作用。在一个实施例中，扩散抑制部可以是凸部或凹部。假如第一部件的接合面在某一区域处的扩散抑制部是凸部，那么，为了能实现较好的接合效果，第二部件的接合面上在对应区域处的扩散抑制部通常为凹部。该凸部与凹部的截面形状可以是规则的矩形、三角形、梯形、半圆形、锯齿形等，也可以是不规则形状。

这里强调一点，图5至图6所示实施例，以及图7所示实施例中的凸部、凹部，特别是凸部、凹部的两侧边部分或最边缘区域，也可视作是这里所说的扩散抑制部。

为实现较好的通气效果，通常要求气体通孔要有较小的直径或者说宽度，但较小宽度的通孔通常较难加工。但是，本发明人注意到，只要气体通孔的末端部分具有符合要求的、较小的宽度，同样可保证通气效果。基于上述认识，可以对前面各实施例作进一步改进：在设计和制作中，使位于下游的第二气体通孔保持原有的、较小的宽度或者说直径，而增大位于上游的第一气体通孔的宽度。反映在最终产品上，即是，所述第二气体通孔的宽度小于所述第一气体通孔的宽度。说明一点，这里所说的“上游”、“下游”、“前端”、“末端”，参照的均是气体流动方向。

除位于中央的主体部分外，气体喷淋头通常还可包括环绕主体部分设置的外环。该外环通常也以导电性质较好的材质（如硅、碳化硅、氮化硅等）制作，作为主体部分的外延，用以提高基片各个区域加工的均一性。图8所示是外环的一个具体实施例。如图8所示，外环9呈空心的圆环形，其中央的圆形空心用以容置气体喷淋头的主体部分（如前面各实施例中所示，该主体部分通常为圆形）。外环的尺寸通常较大，利用单一的毛坯来制作它，容易造成材料的浪费；并且，该毛坯的成本通常也较高。图8所示的外环9由多个（图中为4个，其它实施例中也可为其它数目，如2个、3个或6个等）部件93高温扩散焊接而成。该扩散焊接的具体方法可参前面实施例，这里不再赘述。

说明一点，在该实施例中，部件与部件之间的接合面95都不是平面，而是一个截面为折线的面；或者说，它的各接合面上均形成有台阶部。这样设置的优点是：能更好地防止等离子体沿接合面漏出至反应室外，也可更好地防止外部颗粒沿接合面进入反应室。

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 (16)

1.气体喷淋头的制作方法，包括：

提供第一部件与第二部件，在所述第一部件内形成第一气体通孔，在所述第二部件内形成第二气体通孔；

以第一气体通孔与第二气体通孔相对齐的方式，将所述第一部件与所述第二部件叠放在一起，并在第一部件与第二部件之间放置中间层材料；

通过扩散焊接的方式将第一部件与第二部件结合为一体，以形成具有气体通孔的气体喷淋头或该气体喷淋头的一部分，其中，所述第一气体通孔、所述第二气体通孔均为所述气体通孔的一部分；

其中，用于与第二部件相接合的所述第一部件的接合面上设置有焊接区与非焊接区，所述中间层材料仅分布在所述焊接区，所述第一气体通孔设置在所述非焊接区；

对应的，用于与第一部件相接合的所述第二部件的接合面上设置有焊接区与非焊接区，分别与所述第一部件的焊接区与非焊接区相对应，所述第二气体通孔设置在所述第二部件的所述非焊接区；

对于任一焊接区与和其相邻的气体通孔而言，两者所在区域的接合面均不在同一高度上。

2.如权利要求1所述的制作方法，其中，所述第一部件与所述第二部件由相同材料制成。

3.如权利要求2所述的制作方法，其中，所述第一部件与所述第二部件均由硅或碳化硅或氮化硅或石墨制成。

4.如权利要求3所述的制作方法，其中，所述中间层材料包括粉末状的氧化硅。

5.如权利要求4所述的制作方法，其中，所述扩散焊接的温度控制在1050到1150摄氏度之间。

6.如权利要求1所述的制作方法，其中，所述第一部件与第二部件中的一个的接合面上设置有凸部，另一个的接合面对应地设置有凹部，所述中间层材料分布在所述凸部与所述凹部所在的区域。

7.如权利要求1所述的制作方法，其中，所述第一部件与第二部件中的一个的接合面上设置有凸部，另一个的接合面对应地设置有凹部，所述气体通孔设置在所述凸部与所述凹部所在的区域内。

8.如权利要求1所述的制作方法，其中，所述焊接区与所述非焊接区之间设置有扩散抑制部，用于抑制扩散焊接过程中中间层材料向非焊接区的扩散。

9.如权利要求8所述的制作方法，其中，所述扩散抑制部包括至少一坡，所述坡可使得所述接合面不再为平坦的表面。

10.气体喷淋头，包括：

第一部件，所述第一部件内形成有第一气体通孔；

第二部件，所述第二部件与所述第一部件由相同材料制成，所述第二部件内形成有第二气体通孔，所述第二气体通孔与所述第一气体通孔相连通；

中间层材料，所述中间层材料设置在所述第一部件与所述第二部件之间，用于将它们结合为一体；

用于与第二部件相接合的所述第一部件的接合面上设置有焊接区与非焊接区，所述中间层材料仅分布在所述焊接区，所述第一气体通孔设置在所述非焊接区；

对应的，用于与第一部件相接合的所述第二部件的接合面上设置有焊接区与非焊接区，分别与所述第一部件的焊接区与非焊接区相对应，所述第二气体通孔设置在所述第二部件的所述非焊接区；

其中，对于任一焊接区与和其相邻的气体通孔而言，两者所在的接合面均不在同一高度上。

11.如权利要求10所述的气体喷淋头，其中，所述第一部件与所述第二部件均由硅或碳化硅或氮化硅或石墨制成。

12.如权利要求11所述的气体喷淋头，其中，所述中间层材料包括氧化硅。

13.如权利要求10所述的气体喷淋头，其中，所述第一部件与第二部件中的一个的接合面上设置有凸部，另一个的接合面对应地设置有凹部，所述中间层材料分布在所述凸部与所述凹部所在的区域。

14.如权利要求10所述的气体喷淋头，其中，所述第一部件与第二部件中的一个的接合面上设置有凸部，另一个的接合面对应地设置有凹部，所述气体通孔设置在所述凸部与所述凹部所在的区域内。

15.如权利要求10所述的气体喷淋头，其中，所述焊接区与所述非焊接区之间设置有扩散抑制部，用于抑制扩散焊接过程中中间层材料向非焊接区的扩散。

16.如权利要求15所述的气体喷淋头，其中，所述扩散抑制部包括至少一坡，所述坡可使得所述接合面不再为平坦的表面。