CN115867999A - 用于半导体处理的可移除喷头面板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于半导体处理操作的喷头，其具有可移除面板和在可移除面板的情况中提供额外益处的各种特征。

Description

用于半导体处理的可移除喷头面板

优先权主张

PCT申请表作为本申请的一部分与本说明书同时提交。如在同时提交的PCT申请表中所标识的本申请要求享有其权益或优先权的每个申请均通过引用全文并入本文且用于所有目的。

背景技术

半导体处理工具通常使用“喷头”来将半导体处理气体分布在衬底或晶片上，该衬底或晶片由基座或卡盘支撑在半导体处理室内。喷头典型地以大量气体分配端口为特征，所述气体分配端口分布在喷头的下侧，并且在半导体处理操作期间处理气体通过所述气体分配端口流动。在半导体处理工具中使用的喷头一般有两大类--“吊灯”式喷头和“嵌入式”喷头。吊灯式喷头通常包括：盘状结构，其容纳气体分配端口；一个或多个内部气室，其用于将处理气体分配到那些气体分配端口；以及杆，其连接到盘状结构的顶侧或从盘状结构的顶侧延伸，并且一直延伸到盘状结构的顶侧或从盘状结构的顶侧延伸，到达处理室的顶棚或穿过处理室的顶棚，吊灯式喷头位于处理室的顶棚中。杆在处理室内支撑盘状结构，并且还用于将处理气体按线路输送到盘状结构内的气室。嵌入式喷头不具有杆或等效结构，而是简单地安装到半导体处理室的壁上，通常实际上作为半导体处理室的盖。

本公开提出了一种用于半导体处理喷头的可移除面板的设计。

发明内容

在本说明书中所述主题的一或多个实现方案的细节在以下附图和实施方式中阐明。其他特征、方面和优点将根据描述、附图和权利要求而变得显而易见。

本发明人构思了一种半导体处理喷头，其特征在于可移除的喷头面板。典型的半导体处理喷头将由于暴露于安装它的半导体处理室内的恶劣环境而随时间退化。在一些情况下，这种劣化可以通过清洁工艺来修复--例如，用于沉积环境中的喷头可能以喷头的表面发生沉积的形式经历劣化，这可能导致气体分配端口的收缩或喷头面向晶片的下侧的轮廓的变化，从而会影响晶片处理的均匀性。在这种情况下，有问题的喷头可以被移除和清洗/翻新以移除这种不希望的积聚，然后重新安装在半导体处理工具(或另一个类似的工具)上。然而，在其它情况下，劣化可能是由于面板的侵蚀(例如在蚀刻工艺中可能经历的)。在这种情况下，喷头可能只需要移除和更换。

在任一种情况下，整个喷头通常在更换之前从容纳它的处理室中移出，该过程需要时间，在该期间内该室不能用于创收的操作。另外，这样的更换可能是非常昂贵的--新的喷头是高成本的部件，并且甚至在喷头被简单地翻新或清洁的情况下，这样的翻新或清洁也会导致很大的成本。为了减少设备停机时间和操作使用喷头的半导体处理设备的成本，本发明人构思了一种容易安装的可移除喷头面板，该面板可以被配置成在可移除喷头面板和它所安装的喷头部分之间的接口处提供良好的抗热性能、抗下垂性和/或低的气体泄漏速率。

特别地，本发明人构思了此处讨论的喷头面板，同时设计了一种在相对高的工作温度(例如在250℃至350℃的范围内)下使用的喷头；因此，下面所述的各种特征可在高温环境中使用的喷头中提供特别的实用性，尽管也可用于在或多或少极端温度的环境中使用的喷头中。

在一些实施方式中，可以提供一种包括喷头面板或是喷头面板的装置。所述喷头面板可被配置成与喷头背板可移除地配合，并且可具有板区域，所述板区域具有位于其中的多个气体分配端口。每个气体分配端口可延伸通过喷头面板，并且喷头面板可包括一个或多个第一平面热接触面，并且每个第一平面热接触面可被配置成当喷头面板与喷头背板配合时与喷头背板上的相应第二平面热接触面接触。所述一个或多个第一平面热接触面可包括环形平面热接触面，所述环形平面热接触面具有12″至18″之间的外径，并且当沿垂直于所述环形平面热接触面的第一轴线观察时，所述环形平面热接触面围绕所述板区域，并且所述环形平面热接触面可具有小于或等于800μin和1200μin之间的值的平坦度和小于或等于24μin和40μin之间的值的表面粗糙度Ra。

在一些实施方式中，所述装置还可以包括多个柱，所述多个柱位于所述板区域内并远离所述板区域延伸。所述一个或多个第一平面热接触面可包括针对每个所述柱的柱端热接触面，所述柱端热接触面平行于所述环形平面热接触面。

在一些这样的实施方式中，第一平面热接触面可具有小于或等于1000μin的平坦度值和大于或等于24μin的平均表面粗糙度Ra。在一些其它这样的实施方式中，第一平面热接触面可具有小于或等于1000μin的平坦度值和大于或等于30μin的平均表面粗糙度Ra，并且在又一些其它这样的实施方式中，第一平面热接触面可具有小于或等于1000μin的平坦度值和大于或等于40μin的平均表面粗糙度Ra。

在该装置的一些实施方式中，喷头面板可以由铝合金制成。

在该装置的一些实施方式中，喷头面板可包括多个第一螺纹孔，所述多个第一螺纹孔围绕板区域分布并位于环形平面热接触面中。在一些这样的实施方式中，第一螺纹孔可以布置成圆形阵列，在相邻的第一螺纹孔之间具有至多20°的角间隔。

在该装置的一些实施方式中，喷头面板还可以包括第一热过盈配合特征，其被配置成当喷头面板与喷头背板配合时与喷头背板上的第二热过盈配合特征接合。第一热过盈配合特征可以包括第一轴对称表面，该第一轴对称表面面向径向外侧并且位于板区域和第一螺纹孔之间，并且第一轴对称表面可以具有第一横截面轮廓，该第一横截面轮廓的尺寸设置为当喷头面板与喷头背板配合使得喷头面板相对于喷头背板居中并且喷头面板和喷头背板都处于20℃时，喷头背板上的第二热过盈配合特征的相应的第二横截面轮廓在0.01″至0.014″之间。

在该装置的一些这种实施方式中，第一热过盈配合特征可以是具有第一直径的第一圆柱形表面，喷头背板上的第二热过盈配合特征是具有第二直径的第二圆柱形表面，第一热过盈配合特征被配置成当安装到喷头背板上时可以与喷头面板接合，并且当喷头面板和喷头背板都处于20℃时，第一直径可以小于第二直径，并且在第二直径的0.02″之内。

在该装置的一些进一步的这种实施方式中，喷头面板可包括围绕板区域延伸并插在第一螺纹孔和板区域之间的内壁，该内壁可远离环形平面热接触面延伸，并且第一热过盈配合特征可由内壁的朝外表面提供。

在该装置的一些实施方式中，该装置还可以包括：多个第一螺纹紧固件，其数量与第一螺纹孔的数量相等；多个垫圈，其数量至少与第一螺纹孔的数量相等；以及多个锥形弹簧垫圈，其数量至少等于第一螺纹孔的数量。在这样的实施方式中，该装置可以是成套工具，其被配置成便于更换附接到半导体处理工具的喷头背板的过期喷头面板。

在一些这样的实施方式中，喷头面板可以由第一材料制成，第一螺纹紧固件可以由第二材料制成，锥形弹簧垫圈可以由第一合金制成，垫圈可以由第二合金制成。第一材料和第二材料各自可以是铝合金6061-T6铝合金或氧化铝，并且第一合金和第二合金可以由镍合金、铝合金或6061-T6铝合金制成。第二材料可以与第一材料相同或不同，第二合金可以与第一合金相同或不同。

在一些实施方式中，该装置还可以包括具有与第一螺纹孔的数量相等数量的多个通孔的喷头背板；与第一螺纹孔的数量相等数量的多个第一螺纹紧固件；至少与第一螺纹紧固件的数量相等数量的多个垫圈，以及与所述第一螺纹孔的数量至少相等数量的多个锥形弹簧垫圈。所述多个第一螺纹紧固件中的每个第一螺纹紧固件可插入所述垫圈中的至少一个，所述锥形弹簧垫圈中的一个，所述通孔中的一个，并拧入所述第一螺纹孔中的相应一个，并且至少一个垫圈可被插入锥形弹簧垫圈中的每一个和喷头背板之间。

在一些这样的实施方式中，喷头背板中的一个或多个通孔可以是螺纹孔，其具有足够大的内螺纹直径，使得插入其中的所述第一螺纹紧固件能够插入其中而不使所述第一螺纹紧固件的所述螺纹与所述螺纹孔的所述螺纹接合。

在该装置的一些实施方式中，喷头面板可以由第一材料制成，喷头背板可以由第二材料制成，螺纹紧固件可以由第三材料制成，锥形弹簧垫圈可以由第一合金制成，并且垫圈可以由第二合金制成。在这种实施方式中，第一材料、第二材料和第三材料各自可以是铝合金、6061-T6铝合金或氧化铝，并且第一合金和第二合金各自可以是镍合金、铝合金或6061-T6铝合金。第一、第二和第三材料中的每一种可以是相同材料、不同材料或相同和不同材料的混合物。类似地第一和第二合金可以彼此相同或不同。

在一些实施方案中，每个第一紧固件可以扭转到6英寸-磅和8英寸-磅之间。

附图说明

图1示出了用于半导体处理系统中的示例喷头的一半的截面图；示例性喷头通常关于中心轴线对称。

图1′示出了喷头面板区域的平面图，示出了气体分配孔和柱的图案。

图1″示出了可替换的喷头背板/喷头面板边缘界面的详细视图。

图2示出了类似于图1所示的示例性喷头面板的一半的截面图。

图2'示出了具有不同热过盈配合特征的替代喷头面板的详细视图。

图3示出类似于图1所示的示例性喷头背板和杆的一半的截面图。

图3′示出了具有不同热过盈配合特征的替代喷头背板的详细视图。

图4示出了图1的示例喷头，其具有显示在升高的处理温度下的热位移效应的热位移图。

图5示出了图1的示例性喷头的分解图

图6示出了根据本公开的半导体处理系统的图。

具体实施方式

如上所述这里讨论的可移除喷头面板系统对于高温半导体处理应用特别有用，例如其中喷头面板可达到250℃至350℃的温度的应用，尽管应该认识到这种系统也可用于其它半导体处理环境(包括在较高和较低温度环境)中，并经过适当的修改。

图1示出了用于半导体处理系统中的示例喷头的一半的截面图；示例性喷头通常关于中心轴线对称。在图1中，喷头100的特征在于杆104，其一端连接到喷头背板108；杆104的另一端(未示出)可以与半导体处理室的顶棚或盖相接。如图所示，杆104和喷头背板108由组合部件提供，但是应该理解，这些特征可以由组装在一起形成组件的多于一个部件提供。一般而言，杆可以是直径或宽度远小于喷头背板108的外径或宽度的结构件。在该实施例中，杆104包括以第一轴线114为中心的中心通道，处理气体可通过该中心通道输送到喷头102。第一轴线114通常可以垂直于喷头面板106的下侧和/或第一热接触面(后面讨论)。到目前为止参照图1讨论的喷头102的部件都意在通常永久地安装在半导体处理室内(或者意在至少在跨越喷头面板的多次更换的时间段期间内保持在半导体处理室内)。可以理解，虽然本实施例针对具有可移除面板的吊灯式喷头，但是嵌入式安装喷头可以根据类似原理设计，可以包括类似的特征，并且也被认为在本公开的范围内。

喷头102还可以包括可移除的喷头面板106，其特征在于延伸穿过其中的多个气体分配端口110。在所示的实施例中，喷头面板106可以通过多个紧固件(例如第一螺纹紧固件144和第二螺纹紧固件146(内六角螺钉))提供的夹紧力而夹紧在喷头背板108上。在所示的实施例中，每个螺纹紧固件144或146与相应的锥形弹簧垫圈148和垫圈150配对，尽管每个锥形弹簧垫圈148和150的尺寸可以根据所期望的夹紧力选择为不同。每个第一螺纹紧固件144可插入喷头背板108中的相应孔中，并拧入喷头面板106中的第一螺纹孔140中。类似地，第二螺纹紧固件146可以插入喷头背板108中的相应孔中，并拧入第二螺纹孔142中。

在所示的示例性喷头102中，每个第二螺纹孔142位于从喷头面板106的表面向上突出并朝向喷头背板108的相应柱116的端部。在一些实施方案中，例如所示的实施方案中，如果使用的话，柱116可以是锥形的，或者在到达喷头面板106的表面之前，使柱116在垂直于第一轴线114的平面中经历横截面积的减小，每个柱116从喷头面板106的表面延伸。在这样的实施方式中，这可以允许气体分配端口110之间的间隔小于柱116的直径或横截面宽度，其中这些柱116与喷头背板108接合，从而允许柱116与喷头背板108之间增加热接触以及在第二螺纹孔142的区域中增加材料，该增加的材料可以增强该区域中的螺纹界面，而不会对气体分配端口110的间隔造成实质性影响，例如，柱116的增加的直径可以用于容纳螺纹插入件，其可以提供比仅使用螺纹接头的柱材料所能达到的更强螺纹接头的插入件(如图所示，没有示出螺纹插入件-但是应该理解，螺纹插入件例如螺旋插入件(例如Helicoil^TM)可以用于这样的螺纹孔中)。值得注意的是，在图1中，横截面平面穿过最右边的柱116的中心和喷头102的中心，并且气体分配端口110显示在实际上不代表它们在此平面的间距的位置上。例如，如果气体分配端口110以如图1′所示的三角形阵列设置在整个喷头面板上，则每个柱116可以居中在一组三个相邻的气体分配端口110′内，柱116与喷头面板106的表面相交处的柱116的外边缘116′通常抵靠三个气体分配端口110′中的每一个。在这种情况下，将不存在穿过该柱116的中心和与其相邻的三个气体分配端口110'中的多于一个的横截面。相反，在图1中，有两个气体分配端口110被示为直接靠近最右边的柱116。这样的配置在气体分配端口110布置成如上所述的三角形图案并参照图1′的情况下是不可能的(虽然这样的横截面视图对于正方形图案的气体分配端口110也可以存在，这也被认为是在本公开的范围之内)。因此，应当理解，所示的气体分配端口110的布置仅仅是为了提供这样的理解，即气体分配端口110通常分布在喷头102的下侧，而不代表这样的喷头面板的实际横截面。

图1中可见的另一个特征是包括内壁152，其从喷头面板106的表面突出并进入喷头背板108中的容纳槽中。如图所示，在内壁152的面向外的表面和接纳喷头背板108中的内壁152的凹槽的面向内的表面之间存在小间隙154。

图1”中示出了一种替代配置，其中内壁152'位于喷头背板108'上，并突出到喷头面板106'上的相应凹槽中；在内壁152'的面向内的表面和接纳内壁152'的凹槽的面向外的表面之间形成间隙154'。

通过简单方便从喷头背板上移除第一螺纹紧固件144和第二螺纹紧固件146，然后一旦螺纹紧固件被移除，就可以容易地从喷头背板108上移除喷头面板106，从而允许喷头面板106从喷头背板108上掉落，并从喷头背板108下方移出。然后可以安装新的喷头面板106。喷头面板106和喷头背板108之间的各种径向界面，例如喷头背板108中用于接纳柱116的孔和喷头背板108中用于接纳内壁152的凹槽的尺寸可以设定为使得它们在室温下间隙配合，因此使得一旦螺纹紧固件144和146提供的支撑被移除，喷头面板106通常可以自由地从喷头背板108上脱落(在室温下)。

在半导体处理操作期间，喷头102可以吸收由所使用的半导体制造工艺产生的大量热量。例如，在半导体处理操作期间，大量的热量可以从用于支撑晶片的加热基座或夹盘以辐射方式传递到喷头102。例如，额外的热量可由喷头102从喷头102和正在处理的晶片之间产生的等离子体吸收；传送到喷头102的一些热量可以通过增压空间(以及位于其中的气体)传送到喷头背板108，而传送到喷头102的更多热量可以经由传导性热传输通过柱116并围绕喷头面板106的周边传导到喷头背板108，其中第一螺纹孔140位于该周边。然后，在热量向上流过杆104并传递到周围环境(或室壳体和/或冷却系统)之前，热量可沿大致向内的方向流过喷头背板108。

在具有永久连接的喷头面板的传统喷头中，例如在喷头面板与喷头背板相交的区域中，传热效率几乎没有损失或没有损失。然而，本发明人认识到，具有如图1所示的可移除面板的喷头可能在热传递方面提出特殊的挑战。特别是，如果在喷头面板106和喷头背板108之间的界面上存在较差的热传递，这可以防止热量以足以维持喷头面板的所需操作温度的速率流出喷头面板106。例如，可能希望保持喷头面板温度在200℃和250℃之间，喷头面板上的温度变化不大于15℃；如果从喷头面板到喷头背板的热流不足以防止不希望的热量积聚在喷头面板106中，则喷头面板106的温度可以升高到高于正被实施的特定半导体工艺所需的温度，这又可以增加可能污染正被处理的晶片的喷头面板106的金属的潜在放气。另外，喷头面板中的较高温度可能导致喷头面板106和喷头背板108之间的较大温差，这又可能导致喷头面板106相对于喷头背板108的较大热膨胀，这可能导致不希望的喷头面板106的变形。

为了在喷头面板106和喷头背板108之间提供更有效的热传递，例如图1中所示的可移除的喷头面板可以具有各种平面热接触面，这些平面热接触面被配置成当喷头面板106安装在喷头102上时与位于喷头背板108上的相应平面热接触面接触。

图2示出了类似于图1所示的示例性喷头面板的一半的截面图。在图2中，喷头面板106被示出为从喷头背板108上移除。喷头面板106可具有多个第一热接触面118，其可包括例如柱端热接触面124和环形热接触面122。第一热接触面118可以全部大体上相互平行，虽然可以看到一些这样的第一热接触面118可以相对于彼此处于不同的高度。为了便于参考，第一热接触面118由虚线表示，该虚线稍微从实际的第一热接触面118垂直向上偏移。例如，柱端热接触面124可以位于每个柱116的端部，其中该柱116用于接触喷头背板108，例如位于柱116的顶端。例如，柱116可以布置成围绕第一轴线114布置的一个或多个通常为圆形的图案，并且可以提供从喷头面板106到喷头背板108的热传递路径以及对喷头面板106的中心部分的结构支撑以防止喷头面板的中心部分下垂。

环形热接触面122可提供附加的或可替换的热传递路径，当沿第一轴线114观察时，环形热接触面122可例如围绕喷头面板106的板区域112。喷头面板106的板区域112通常可以指气体分配端口110位于其中的喷头面板106的区域，并且可以例如从喷头面板106的中心延伸到喷头面板106的向内表面，由喷头面板106的壁或环形凸起区域(或喷头背板上的类似表面)限定。例如，环形热接触面122可以是喷头面板的壁的最上表面或环形凸起区域。

一些这样的平面热接触面对于这样的尺寸的特征可能具有异常低的平坦度规格。例如，喷头面板106可以具有大约15英寸的标称直径，例如在12英寸和18英寸之间，并且喷头面板106的环形热接触面122(其可以具有类似的外径)在整个环形热接触面122上可以具有保持在例如800μin至1200μin之间(或更低)的值的平坦度，例如1000μin。类似地，热接触面的表面粗糙度可保持为例如24μin～30μin或24μin～40μin的Ra值(或低于24μin～30μin)。可以理解，这种平坦度公差对于这种尺寸的特征不是典型的--特别是对于要被夹紧在一起的特征。

在一些实施方案中，喷头面板106除了包括在喷头面板106和喷头背板108之间提供良好热接触的特征之外，还可以包括第一热过盈配合特征126。第一热过盈配合特征126可以由第一轴对称表面130提供，该第一轴对称表面130由第一横截面轮廓132限定。例如，第一轴对称表面130可以是具有第一直径136的朝外的圆锥形或圆柱形表面，其例如由内壁152提供。如将从图1″中注意到的，其它实施方案可以经由凹槽的朝外表面提供第一轴对称表面130，该凹槽可以接纳位于喷头背板108上的内壁特征。

图3示出类似于图1所示的示例性喷头背板和杆的一半的截面图。如图3所示，喷头背板108可包括第二平面热接触面120，该第二平面热接触面120的位置可与喷头面板106上的第一热接触面118相对应。喷头背板108还可以包括第二热过盈配合特征128，其可以具有第二横截面轮廓134，该第二横截面轮廓134可以限定例如第二轴对称表面。图3'示出了类似于图1”中所示的替代喷头背板设计的详细视图，其中喷头背板108'可以具有内壁152'，该内壁152'提供了面向内的第二热过盈配合特征128，其可以具有第二横截面轮廓134'。

可以控制喷头面板106和喷头背板108的尺寸，使得当喷头面板106和喷头背板108都处于标称室温(例如20℃)时存在间隙154(并且限定间隙配合或允许容易地移除喷头面板106的其它配合)，但是当喷头102达到稳态操作条件时，间隙减小，使得间隙接近过渡配合或温和的过盈配合。当喷头背板108和喷头面板106处于稳态操作条件时，这既用于使喷头面板106相对于喷头背板108居中，又用于在喷头背板108和喷头面板106之间建立大体上气密的密封。例如，在室温下，可以提供大约0.012″的间隙，例如0.009″到0.015″或0.010″到0.014″，当喷头面板106达到稳态操作温度时，间隙可以完全消失。例如，间隙可减小到零或变成压缩界面，例如间隙可导致喷头面板106和喷头背板108之间发生高达千分之几，例如高达约0.005″至0.010″之间的压缩变形。

为了更好地说明如何提供这种密封效果，参见图4，该图描述了具有热位移图的图1的示例性喷头，该热位移图显示了在升高的处理温度下的热位移效应。如图4所示，由于与喷头背板108相比喷头面板106中的温度升高，喷头面板106的外周与喷头背板108中的相应位置相比经受更大量的径向热位移。因此，内壁152和第一轴对称表面130通常可以经受比喷头背板108中的凹槽的面对第一轴对称表面130的第二轴对称表面更向外的径向热位移，从而闭合间隙154。因此，喷头背板108和喷头面板106之间的温度失配产生热膨胀失配，使得在喷头面板106和喷头背板108之间的间隙154闭合，从而产生过盈配合或过渡配合156，即使在喷头面板106和喷头背板108由具有相似热膨胀特性的材料制成时也如此。例如，对于均由铝合金(例如6061-T6铝)制成的喷头背板108和喷头面板106，当喷头102处于室温时，第一轴对称表面130和第二轴对称表面之间的间隙154可以是约0.01″。换句话说，当喷头处于室温时，第一直径136和第二直径138之间的差值可以是约0.02″，但是当加热到280℃和320℃之间的温度时，可以接近0″。

可移除的喷头面板，诸如这里讨论的那些，也可以包括被设计为解决在使用过程中可能发生的潜在并发症的特征。例如对于由铝合金制成的喷头面板和背板，可能会出现各种复杂情况，这些复杂情况会干扰可用于将喷头面板连接到喷头背板的紧固件系统的使用。例如，如果紧固件使用与喷头背板108和喷头面板106不同的材料(例如不锈钢或铬镍铁合金)，则在热循环过程中会导致螺纹连接松动。例如，如果使用不锈钢螺纹紧固件，紧固件的不锈钢和喷头部件的铝合金的不同热膨胀特性可能导致不锈钢紧固件的膨胀程度远低于铝部件。当加热到操作条件时，这会导致这些紧固件中的预加载增加，进而会导致铝部件中的永久局部变形，使得当喷头再次冷却时，不锈钢紧固件可能具有比所需低得多的预加载。在一些情况下，预加载可以几乎完全消失，从而导致可能产生微粒并影响晶片处理均匀性的松散连接。

一些紧固件，尤其是具有较高扭矩要求的紧固件可能出现的另一个问题是，当保持在升高的温度和足够高的夹紧负载下时，喷头面板可以在平面热接触面的一个或多个位置处扩散粘结到喷头背板上，诸如在半导体处理室内的稳态操作条件期间可能遇到的负载。这种扩散接合实际上可以永久地或半永久地将喷头面板固定到喷头背板上，即使当将喷头面板夹持到喷头背板上的螺纹紧固件被移除时也是如此。这可以防止喷头面板被移除，或者如果喷头面板仍然能够被移除，则由于喷头面板和/或喷头背板的结合部分可以实质上从这些部件中的一个或另一个扯下，因此可能导致平面热接触界面的损坏。

由于这种可移除的喷头面板的操作温度不易改变(由使用喷头的半导体工艺的要求确定)，因此用于减少这种扩散接合的可能性的主要机制是减少跨越施加在喷头面板/喷头背板界面上的夹紧力。然而，将螺纹紧固件上的预加载(以减小夹紧力)减小到防止在夹紧位置处扩散粘结所需的程度，这在许多情况下导致在热循环之后的预加载的急剧减小，这将导致螺栓连接件松动，降低螺栓接头的热传导率，并可能导致气体通过螺栓接头泄漏。例如，使用各种6-32内六角螺钉(SHCS)将喷头面板和喷头背板夹紧在一起进行测试。喷头面板和喷头背板都由铝合金例如6061-T6制成，喷头面板中接纳SHCS的螺纹孔配备有高镍合金螺纹嵌件，例如螺旋嵌件。在不同位置使用不同构造的螺纹紧固件，包括例如铝合金(6061-T6)SHCS和高镍合金SHCS。另外，还针对每个SHCS测试不同的负载分配机制，包括例如没有这样的负载分配机构(SHCS与喷头背板直接接触)，在SHCS和喷头背板之间使用单个平垫圈，在SHCS和喷头背板之间使用单个锥形弹簧垫圈，在SHCS和喷头背板之间使用单锥形弹簧垫圈和单平垫圈，在SHCS和喷头背板之间使用两个串联和并联的锥形弹簧垫圈，在SHCS和喷头背板之间使用单个平垫圈，以及在SHCS和喷头背板之间使用三个串联的锥形弹簧垫圈和单个平垫圈。

锥形弹簧垫圈例如“Belleville”垫圈被设计成具有嵌套的锥形锥台的上表面和下表面。例如，在锥形弹簧垫圈中，锥形弹簧垫圈的外缘和内缘可以是a)在锥形弹簧垫圈的相对侧上，b)比锥形弹簧垫圈的另一内缘和另一外缘之间的距离更远，和c)比这种锥形弹簧垫圈的顶面和底面之间的法线距离更远。在这样的情况下，当压缩载荷施加到沿着锥形弹簧垫圈的中心线的那些内边缘和外边缘时，压缩载荷可导致锥形弹簧垫圈弹性变形并开始从锥形形状变平为平垫圈形状。锥形弹簧垫圈提供了相对刚性的弹簧，并具有较短的移动距离。

据发现，使用扭矩为5in-lb值的高镍合金SHCS并使用任何上述负载分配机制防止扩散结合的发生，但是在大多数情况下也会经历显著的预加载损失，达到所需的250-350℃之间的工作温度后，例如大于50％的预加载损失。为清楚起见，高镍合金是其中镍是合金组成中最普遍的元素的合金。发现将高镍合金SHCS扭转到高于5in-lb的值，例如6.5in-lb，可以减轻热循环下预加载的损失，但也导致扩散结合问题的重新出现。还发现，使用更复杂的锥形弹簧垫圈布置，例如多个串联的锥形弹簧垫圈，可以减轻预加载的损失，但是需要附加的部件，并且由于附加的锥形弹簧垫圈可以被省略或以不正确的方向安装，因此增加了不正确装配的机会。为清楚起见，平行的锥形弹簧垫圈堆叠成使得锥形弹簧垫圈的锥形表面嵌套并沿相同方向定向。串联的锥形弹簧垫圈被堆叠，使得每隔一个锥形弹簧垫圈在一个方向上取向，而另一个锥形弹簧垫圈在另一个方向上取向(当从侧面观察时呈现“褶皱”外观)。

当使用铝合金SHCS时观察到更满意的结果，其被扭到约为4in-lb的值；发现使用具有这种SHCS的单个锥形弹簧垫圈和单个平垫圈，即使在多次热循环之后，也能保持超过80％的预加载。虽然没有针对铝合金SHCS来测试更复杂的锥形垫圈实施方案，但是对于这种SHCS，锥形弹簧垫圈的系列实施方案可以提供类似可接受的预加载性能。在使用10-24个SHCS的类似试验中发现了可比较的结果，在一个实施方案中，SHCS用作第一螺纹紧固件，并扭转到例如6-8英寸-磅的值，例如7英寸-磅，以获得所需程度的预加载。

使用的平垫圈和锥形弹簧垫圈是高镍合金，例如Inconel，因其高强度和耐化学性而被使用。在这样的接头中使用平垫圈可以帮助分配插入平垫圈和SHCS之间的锥形垫圈的边缘负载，从而防止锥形弹簧垫圈的边缘直接接触喷头背板的材料。对于由铝合金制成的喷头背板，这可以减少喷头背板材料在通过SHCS的紧固而被压缩并且径向膨胀时被锥形弹簧垫圈造成磨损或挖伤(这可能导致不希望的颗粒产生)的机会。

锥形弹簧垫圈的使用允许施加到接头上的预加载主要通过锥形弹簧垫圈的变形来控制，而不是主要通过SHC的拉伸来控制，因为SHC的弹簧常数高得多，所以需要很小的位移，以便在未预加载状态和显著预加载状态之间转换。具有较大行程范围的锥形弹簧垫圈可允许预加载保持在所需的最小值之上，以用于由于热膨胀而产生的较大范围的潜在位移，从而允许保持足够的夹紧力，以促进喷头面板和喷头之间的良好热接触，避免了在热循环过程中喷头面板/喷头背板界面松动的可能性以及喷头面板和喷头背板的不希望的扩散粘结的可能性。

图5示出了图1的示例性喷头的分解图。可以看出，每个第一螺纹紧固件144和第二螺纹紧固件146在插入喷头背板108中的相应孔并分别拧入第一螺纹孔140和第二螺纹孔142之前，首先通过锥形弹簧垫圈148，然后通过平垫圈150(或简称为“垫圈”)。

还应当理解，所使用的第一螺纹紧固件的数量可以远高于通常对于喷头面板106的结构支撑所需的数量。例如，位于喷头102的外周边周围的六个或八个螺纹紧固件通常被认为足以在结构上支撑喷头面板106。然而，在可移除的喷头面板的一些实施方式中，可以使用更多数量的这种紧固件。例如，已经发现，围绕喷头102的外周边增加螺纹紧固件的数量会导致更均匀分布的负载，从而导致更均匀分布的用于来自喷头面板的热流的热接触路径。特别是，发现性能优势明显超过例如具有围绕喷头102的周边设置的18、20、22、24或更多个螺纹紧固件以将喷头面板固定到喷头背板的额外成本。因此，在这种实施方式中，喷头面板中的螺纹孔之间围绕喷头的中心轴线的角度间隔可以是20°或更小。

在一些实施方案中，喷头背板#HH08中的一些通孔，在螺纹紧固件拧入喷头面板#HH06之前，螺纹紧固件可以通过这些通孔插入，这些通孔可以被专门配置为用作面板移除特征。例如，这样的通孔可以是内螺纹直径大于螺纹紧固件的螺纹的最大直径或其柄部的螺纹孔，它们将插入其中并拧入喷头面板的螺纹孔中。这就允许与其它孔一样使用这样的孔，以便使用螺纹紧固件在喷头面板和喷头背板之间提供夹紧连接。然而，如果喷头面板和喷头背板在以后被证明在移除那些螺纹紧固件之后很难分离，则螺纹尺寸与喷头背板中的螺纹孔提供的螺纹尺寸相匹配的较大尺寸的螺纹紧固件可以被拧入这样的螺纹孔中，直到那些紧固件抵靠喷头面板向下伸出。施加到这种较大紧固件上的附加扭矩然后可使较大紧固件抵靠喷头面板，迫使喷头面板与喷头背板分离。

这里讨论的各种结构，例如可移除的喷头面板、喷头背板、第一螺纹紧固件，第二螺纹紧固件等，可以由适合于在半导体处理操作期间在半导体处理室的恶劣环境中使用的各种不同材料制成。例如，如上所述，诸如6061-T6的铝合金可用于喷头面板、喷头背板以及第一和第二螺纹紧固件。在这样的部件中使用类似的材料可以减少在这样的部件之间可能发生的热膨胀失配量，这可以避免部件变得高应力并且潜在地失效或者以不希望的方式表现的情况。然而，一些喷头可以对这些部件中的一些或全部使用不同的材料。例如，高镍合金螺纹紧固件可用于以铝合金喷头面板和喷头背板为特征的一些实施方式中。可用于提供喷头面板和喷头背板的其它材料包括陶瓷、氧化铝和其它铝合金。

上述螺纹紧固件、锥形弹簧垫圈和平垫圈可以由多种合金制成，包括高镍合金，例如Inconel，例如6061-T6等铝合金或其它合金。在承受高应力的区域(例如螺纹接头界面和垫圈加载/紧固件加载区域)中使用材料以避免在这些界面上扩散粘结可能是有益的。因此，例如，在一些实施方案中，垫圈(平垫圈和圆锥形垫圈)可以由高镍合金制成，而喷头面板和背板可以由铝合金制成。

应当理解，这里讨论的喷头可以用于半导体处理工具，例如配置有一个或多个半导体处理室的设备，所述一个或多个半导体处理室被配置成接收半导体晶片或其它衬底，并在其上执行一个或多个半导体处理操作。图6示出了根据本公开的示例性半导体处理系统的图。在图6中，示出了半导体处理室101，该半导体处理室101在其内部包括晶片支撑103，该晶片支撑103被配置成在处理操作期间支撑晶片105。处理室101还可以包括如这里所讨论的喷头102，喷头102可以与一个或多个处理气体源111流体连接。在一些实施方式中，喷头102可被配置成用作用于产生火花和/或维持可在晶片105上方产生的等离子体107的电极。在这种实施方式中，喷头102可以与例如射频发生器109电连接。

应当理解，短语“对于一个或多个<项目>中的每个<项目>”、“一个或多个<项目>中的每个<项目>”等(如果在本文中使用的话)包括单一项目群组和多个项目群组两者，即该短语“对......每一者(for…each)”是以其在程序语言中指代所涉及的无论什么项目群体中的每一项目的意义而使用。例如，如果所涉及的项目的群体是单一项目，则“每一”将涉及仅仅该单一项目(尽管事实上字典对“每一”的定义时常将该术语定义为是指“两个或更多个事物中的每一个”)且将不意指这些项目必须具有至少两个。类似地，术语“集合”或“子集”本身不应被视为必然包含多个项目，应理解，集合或子集可以仅包含一个成员或多个成员(除非上下文另有指示)。

如果有的话，在本公开和权利要求中使用的序数指示符，例如，(a)、(b)、(c)…等，应理解为不传达任何特定顺序或序列，除非在这样的顺序或序列被明确指出的范围内。例如，如果存在标记为(i)、(ii)和(iii)的三个步骤，应理解这些步骤可以以任何顺序进行(或者甚至同时进行，如果没有另外的禁忌)，除非另有说明。例如，如果步骤(ii)涉及处理在步骤(i)中创建的元素，则步骤(ii)可以被视为发生在步骤(i)之后的某个时间点。类似地，如果步骤(i)涉及处理在步骤(ii)中创建的元素，则应理解为相反的情况。

诸如“约”、“大约”、“基本上”、“标称”等术语，当用于参考数量或类似的可量化特性时，应理解为包括与指定的值或关系相差±10％以内的值(以及包括指定的实际值或关系)，除非另有说明。

应当理解，前述概念的所有组合(只要这些概念不相互矛盾)都被认为是本文所公开的发明主题的一部分。特别地，出现在本公开末尾的要求保护的主题的所有组合都被认为是本文公开的发明主题的一部分。还应当理解，本文中明确使用的也可能出现在通过引用并入的任何公开中的术语应赋予与本文公开的特定概念最一致的含义。

应进一步理解的是，上述公开虽然集中于一个或多个特定示例性实现方案，但不仅限于所讨论的示例，而是还可以适用于类似的变体和机制，以及这样的类似变体和机制也被认为在本公开的范围内。

Claims (17)

1.一种装置，其包括：

喷头面板，其中：

所述喷头面板被配置成与喷头背板可移除地配合，

所述喷头面板具有板区域，所述板区域具有位于其中的多个气体分配端口，

每个气体分配端口延伸穿过所述喷头面板，

所述喷头面板包括一个或多个第一平面热接触面，每个第一平面热接触面被配置成当所述喷头面板与所述喷头背板配合时与所述喷头背板上的相应第二平面热接触面接触，

所述一个或多个第一平面热接触面包括具有12”与18”之间的外径的环形平面热接触面，当沿垂直于所述环形平面热接触面的第一轴线观察时，该环形平面热接触面包围所述板区域，以及

所述环形平面热接触面具有小于或等于介于800μin与1200μin之间的平坦度值和小于或等于介于24μin与40μin之间的表面粗糙度Ra值。

2.如权利要求1所述的装置，其还包括多个柱，所述多个柱位于所述板区域内并延伸远离所述板区域，其中，对于每个所述柱，所述一个或多个第一平面热接触面包括与所述环形热接触面平行的柱端热接触面。

3.如权利要求2所述的装置，其中，所述第一平面热接触面具有小于或等于1000μin的平坦度值和大于或等于24μin的平均表面粗糙度Ra。

4.如权利要求2所述的装置，其中，所述第一平面热接触面具有小于或等于1000μin的平坦度值和大于或等于30μin的平均表面粗糙度Ra。

5.如权利要求2所述的装置，其中，所述第一平面热接触面具有小于或等于1000μin的平坦度值和大于或等于40μin的平均表面粗糙度Ra。

6.如权利要求1所述的装置，其中，所述喷头面板由铝合金制成。

7.如权利要求错误！未找到引用源.1所述的装置，其中，所述喷头面板包括多个第一螺纹孔，其围绕所述板区域分布并且位于所述环形平面热接触面中。

8.如权利要求7所述的装置，其中，所述第一螺纹孔布置成圆形阵列，在相邻的所述第一螺纹孔之间具有至多20°的角间隔。

9.如权利要求7所述的装置，其中，

所述喷头面板还包括第一热过盈配合特征，其被配置成当所述喷头面板与所述喷头背板配合时与所述喷头背板上的第二热过盈配合特征接合，

所述第一热过盈配合特征包括第一轴对称表面，所述第一轴对称表面面向径向外侧并位于所述板区域和所述第一螺纹孔之间，以及

所述第一轴对称表面具有第一横截面轮廓，其尺寸被设置为当所述喷头面板与所述喷头背板配合使得所述喷头面板相对于所述喷头背板居中并且所述喷头面板和所述喷头背板都处于20℃时，所述喷头背板上的所述第二热过盈配合特征的相应的第二横截面轮廓在0.01″至0.014″之间。

10.如权利要求9所述的装置，其中，

所述第一热过盈配合特征是具有第一直径的第一圆柱形表面，

所述喷头背板上的所述第二热过盈配合特征是具有第二直径的第二圆柱形表面，所述第一热过盈配合特征被配置成当所述喷头面板安装到所述喷头背板上时与所述喷头背板接合，以及

当所述喷头面板和所述喷头背板都处于20℃时，所述第一直径小于所述第二直径并在所述第二直径的0.02″之内。

11.如权利要求10所述的装置，其中，

所述喷头面板包括围绕所述板区域延伸并插在所述第一螺纹孔和所述板区域之间的内壁，

所述内壁远离所述环形平面热接触面延伸，以及

所述第一热过盈配合特征由所述内壁的朝外表面提供。

12.如权利要求9所述的装置，其还包括：

多个第一螺纹紧固件，其数量与所述第一螺纹孔的数量相等；

多个垫圈，其数量至少与所述第一螺纹孔的数量相等；以及

多个锥形弹簧垫圈，其数量至少等于所述第一螺纹孔的数量，其中所述装置是成套工具，其被配置成便于更换附接到半导体处理工具的所述喷头背板上的过期喷头面板。

13.如权利要求12所述的装置，其中，

所述喷头面板由第一材料制成，

所述第一螺纹紧固件由第二材料制成，

所述锥形弹簧垫圈由第一合金制成，

所述垫圈由第二合金制成，

所述第一材料和所述第二材料各自选自铝合金、6061-T6铝合金和氧化铝，

所述第一合金和所述第二合金各自选自镍合金、铝合金和6061-T6铝合金，

所述第二材料选自所述第一材料和除所述第一材料之外的材料，

所述第二合金选自所述第一合金和除所述第一合金之外的合金。

14.如权利要求9所述的装置，其还包括：

具有与所述第一螺纹孔数量相等数量的多个通孔的所述喷头背板；

与所述第一螺纹孔的数量相等数量的多个第一螺纹紧固件；

至少与所述第一螺纹孔的数量相等数量的多个垫圈；以及

至少与所述第一螺纹孔的数量相等数量的多个锥形弹簧垫圈，其中：

所述多个第一螺纹紧固件中的每个第一螺纹紧固件插入所述垫圈中的至少一个，所述锥形弹簧垫圈中的一个，所述通孔中的一个，并拧入所述多个第一螺纹孔中的相应一个，并且

至少一个垫圈插入所述锥形弹簧垫圈中的每一个和所述喷头背板。

15.如权利要求14所述的装置，其中，

所述喷头背板中的一个或多个通孔是螺纹孔，该螺纹孔具有足够大的内螺纹直径，使得插入其中的所述第一螺纹紧固件能够插入其中而不使所述第一螺纹紧固件的螺纹与所述螺纹孔的螺纹接合。

16.如权利要求14所述的装置，其中，

所述喷头面板由第一材料制成，

所述喷头背板由第二材料制成，

所述螺纹紧固件由第三材料制成，

所述锥形弹簧垫圈由第一合金制成，

所述垫圈由第二合金制成，

所述第一材料、所述第二材料和所述第三材料各自选自铝合金、6061-T6铝合金和氧化铝，

所述第一合金和所述第二合金各自选自镍合金、铝合金和6061-T6铝合金，

所述第二材料选自所述第一材料、所述第三材料和除所述第一材料和所述第三材料之外的材料，

所述第三材料选自所述第一材料、所述第二材料和除所述第一材料和所述第二材料之外的材料，以及

所述第二合金选自所述第一合金和除第一合金之外的合金。

17.如权利要求14所述的装置，其中，每个第一紧固件被扭转到6英寸-磅和8英寸-磅之间。

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