CN117296123A - 高温喷头的制造 - Google Patents

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Abstract

示例性半导体处理腔室喷头包括内核心区域。内核心区域可以界定多个孔。喷头可以包括围绕所述内核心区域的外周边设置的外核心区域。外核心区域可以界定环形通道。喷头可以包括设置在环形通道内的加热元件。喷头可以包括围绕外核心区域的外周边设置的环形衬垫。内核心区域和外核心区域可以包括铝合金。环形衬垫可以具有比铝合金更低的热传导率。

Description

高温喷头的制造
相关申请的交叉引用
本申请案主张于2021年4月20日提交的题为“FABRICATION OF A HIGHTEMPERATURE SHOWERHEAD(高温喷头的制造)”的美国非临时申请第17/235,258号的权益和优先权，所述申请的内容出于所有目的通过引用以其整体并入本文。
技术领域
本技术涉及用于半导体制造的部件和装置。更具体来说，本技术涉及处理腔室分布部件以及其他半导体处理装备。
背景技术
通过在基板表面上产生复杂图案化材料层的工艺实现集成电路。在基板上产生图案化材料需要用于形成和移除材料的受控方法。腔室部件经常将处理气体输送到基板以沉积膜或移除材料。为了促进对称性和均匀性，许多腔室部件可以包括规则的特征图案(诸如孔)，以用于以可以增加均匀性的方式提供材料。然而，这可能会限制调谐用于晶片上调整的配方的能力。
因此，需要可用于产生高质量器件和结构的改良系统和方法。本技术解决了这些和其他需求。
发明内容
示例性的半导体处理腔室喷头包括内核心区域。内核心区域可以界定多个孔。喷头可以包括围绕内核心区域的外周边设置的外核心区域。外核心区域可以界定环形通道。喷头可以包括设置在环形通道内的加热元件。喷头可以包括围绕外核心区域的外周边设置的环形衬垫。内核心区域和外核心区域可以包括铝合金。环形衬垫可以具有比铝合金低的热传导率。
在某些实施例中，环形衬垫的热传导率可以低于铝合金的热传导率的约20％。环形衬垫的热膨胀系数可以在铝合金的热膨胀系数的约50％以内。环形衬垫可以包括不锈钢和钛中的一者或两者。可以使用固态结合技术结合环形衬垫和外核心区域。铝合金可以具有大致均质的微结构。喷头可以包括设置在外核心区域与环形衬垫之间的中间材料。中间材料可以具有介于铝合金的热膨胀系数与环形衬垫的热膨胀系数之间的热膨胀系数。
本技术的某些实施例可以涵盖制造半导体处理腔室喷头的方法。所述方法可以包括形成熔化的铝合金组成物。所述方法可以包括以至少103K/秒的速率冷却熔化的铝合金组成物以形成固体铝合金粒子。所述方法可以包括从固体铝合金粒子形成喷头。所述方法可以包括用铝或氧化铝中的一者涂覆喷头。
在一些实施例中，涂覆喷头可以包括将铝电镀到喷头上。涂覆喷头可以包括经由原子层沉积将氧化铝施加到喷头上。形成喷头可以包括压实固体铝合金粒子。形成喷头可以包括从压实的固体铝合金粒子形成喷头毛胚。形成喷头可以包括机械加工喷头毛胚以形成喷头。形成喷头可以包括在形成喷头毛胚之前锻压或挤压压实的固体铝合金粒子。喷头的铝合金部分可以具有小于约10微欧厘米的电阻率。喷头的铝合金部分可以具有至少约100W/mK的热传导率。冷却熔化的铝合金组成物可以包括从包括急速冷冻、淬火和粉末原子化群组中选择的一者或多者。
本技术的某些实施例可以涵盖制造半导体处理腔室喷头的方法。所述方法可以包括形成熔化的铝合金组成物。所述方法可以包括以至少103K/秒的速率冷却熔化的铝合金组成物，以形成固体铝合金粒子。所述方法可以包括从固体铝合金粒子形成喷头的核心区域。所述方法可以包括用铝或氧化铝中的一者涂覆喷头的核心区域。所述方法可以包括将环形衬垫与喷头的核心区域的周边边缘结合。环形衬垫包括比喷头的核心区域低的热传导率。
在某些实施例中，喷头的核心区域可以包括内核心区域和围绕内核心区域的外周边设置的外核心区域。内核心区域可以界定多个孔。外核心区域可以界定接收加热元件的通道。所述方法可以包括使用摩擦搅拌焊接或电子束焊接中的一者或两者来耦合内核心区域和外核心区域。将环形衬垫与喷头的核心区域的周边边缘结合可以包括使用固态结合技术。将环形衬垫与喷头的核心区域的周边边缘结合可以包括将中间材料耦合在核心区域的周边边缘与环形衬垫之间。中间材料可以具有介于核心区域的热膨胀系数和环形衬垫的热膨胀系数之间的热膨胀系数。
这样的技术可以提供优于常规系统和技术的许多益处。例如，本技术的实施例可以提供能够承受更高处理温度而不损失强度、变形或表现出蠕变的喷头。这使得更高温度的处理操作能够被执行，这可以减少喷头和晶片上的副产物沉积，以及减少晶片上的缺陷。结合以下描述和附图对这些和其他实施例连同它们的许多优点和特征进行更详细的叙述。
附图说明
通过参考说明书的其余部分和附图，可以实现对本公开技术的性质和优点的进一步理解。
图1示出了根据本技术的一些实施例的示例性处理系统的俯视平面图。
图2示出了根据本技术的一些实施例的示例性等离子体系统的示意性横截面图。
图3示出了根据本技术的一些实施例的示例性喷头的示意性局部横截面图。
图3A示出了根据本技术的一些实施例的示例性喷头的示意性局部横截面图。
图4示出了根据本技术的一些实施例的制造半导体处理腔室喷头的示例性方法的操作。
包括若干附图作为示意图。应当理解的是，这些示出是出于说明性目的，并且除非特别说明其是按比例的，否则不应被认为是按比例的。此外，作为示意图，这些附图被提供以帮助理解，并且可能不包括与实际表示相比的所有方面或信息，并且可能包括出于说明性目的的夸大材料。
在附图中，相似的部件和/或特征可以具有相同的附图标记。此外，可以通过在附图标记后加上区分相似部件的字母来区分相同类型的各种部件。如果说明书中仅使用了第一附图标记，则描述适用于具有相同第一附图标记的类似部件中的任何一者，而与字母无关。
具体实施方式
等离子体增强沉积工艺可以激发(energize)一种或多种成分前驱物以促使基板上的膜形成。可以产生任何数量的材料膜来开发半导体结构，材料膜包括导电和介电膜，以及促使材料转移和移除的膜。例如，可以形成硬掩模膜以促进基板的图案化，同时保护下卧的材料以使下卧的材料被以另外的方式维持。在许多处理腔室中，多种前驱物可以在气体分配板中被混合并且被输送到腔室的处理区域，基板可以被设置在腔室的处理区域中。可以通过腔室内的一个或多个部件分布前驱物，这可以产生径向或横向的输送分布，以在基板的表面上提供增加的形成或移除。
随着器件特征尺寸的缩小，跨基板表面的公差可减小，并且跨膜的材料性质差异可能会影响器件实现和均匀性。许多腔室包括特性工艺特征(signature)，这可能会在整个基板上产生不均匀性。温度差异、流动图案均匀性和处理的其他方面可能会影响基板上的膜，从而在整个基板上对生产或移除的材料产生膜均匀性差异。例如，一个或多个器件可以被包括在处理腔室中，用于在处理腔室内输送和分布前驱物。阻隔板可以被包括在腔室中以在前驱物流中提供扼流器，这可以增加阻隔板处的驻留时间和前驱物的横向或径向分布。喷头可以进一步提高输送进入处理区域中的均匀性，这可以改善沉积或蚀刻。
一些半导体处理操作包括可超过350℃的高处理温度。这样高的处理温度可以提供若干益处，诸如减少喷头和其他腔室部件上的残留物堆积、减少掉落缺陷的发生、缩短清洁时间和提高沉积速率。通常，由于铝的低电阻率，喷头由铝合金形成。然而，常规的铝合金在暴露于超过200℃的处理温度时会遭受强度损失、变形和蠕变，这可能使喷头不适用于高温处理操作。
本技术通过由以至少103K/s的速率冷却的铝合金形成喷头来克服这些挑战，这种冷却速率可以产生更耐热的铝合金。这种铝合金在短期和长期暴露于高温下都可以具有比常规铝合金更强的强度，并且可以在高温环境中提供更大的抗变形性和抗蠕变性。此外，本技术提供了包括环形衬垫的喷头设计，所述环形衬垫由热传导率低于铝合金的材料形成。这可以使环形衬垫能够更好地将诸如O形环或其他密封件之类的热敏部件从处理腔室内的高温进行隔离。本技术可以使得高温处理操作被执行，同时可以导致喷头和其他腔室部件上的减少的残留物堆积、更少的掉落缺陷、更快的清洁时间和更高的沉积速率。
尽管剩余的公开内容将例行地标识利用本公开技术的特定沉积工艺，应容易理解的是所述系统和方法同样可应用于其他沉积和清洁腔室，以及可能发生在所述腔室中的工艺。据此，不应认为所述技术仅限于与这些特定的沉积工艺或腔室一起使用。在描述对根据本技术实施例的系统所进行的额外变化和调整之前，本公开将讨论一种可能的系统和腔室，其可以包括根据本技术的实施例的盖堆叠部件。
图1示出了根据本技术的实施例的沉积、蚀刻、烘烤和固化腔室的处理系统100的一个实施例的俯视平面图。在图中，一对前开式标准舱102供应各种尺寸的基板，这些基板由机械臂104接收，并在被放置到基板处理腔室108a-108f中的一者并定位在串联区段109a-109c之前被放置到低压固持区域106中。第二机械臂110可用于将基板晶片从固持区域106传送到基板处理腔室108a-108f并传送回来。每个基板处理腔室108a-108f可以被配备以实行多个基板处理操作，所述操作包括本文所述的半导体材料的堆叠的形成，此外还包括等离子体增强化学气相沉积、原子层沉积、物理气相沉积、蚀刻、预清洁、脱气、定向和包含退火、灰化等等的其他基板工艺。
基板处理腔室108a-108f可以包括用于在基板上沉积、退火、固化和/或蚀刻介电膜或其他膜的一个或多个系统部件。在一种配置中，两对处理腔室(例如，108c-108d和108e-108f)可用于在基板上沉积介电材料，而第三对处理腔室(例如，108a-108b)可用于蚀刻所沉积的介电质。在另一种配置中，所有三对腔室(例如，108a-108f)都可以配置为在基板上沉积交替介电膜的堆叠。所描述的工艺中的任何一者或多者可以在与不同实施例中所示的制造系统分开的腔室中进行。应当理解的是，系统100设想了用于介电膜的沉积、蚀刻、退火和固化腔室的附加配置。
图2示出了根据本技术的一些实施例的示例性等离子体系统200的示意性横截面图。等离子体系统200可示出一对处理腔室108，这对处理腔室108可以被装配进上文所述的串联区段109中的一者或多者中，并且可以包括根据本技术的实施例的面板或其他部件或组件，如下文进一步描述。等离子体系统200通常可以包括腔室主体202，所述腔室主体202具有限定一对处理区域220A和220B的侧壁212、底壁216和内侧壁201。处理区域220A-220B中的每一者可以被类似地配置，并且可以包括相同的部件。
例如，处理区域220B的部件也可以被包括在处理区域220A中，处理区域220B可以包括通过在等离子体系统200的底壁216中形成的通道222设置在处理区域中的基座228。基座228可以提供加热器，所述加热器适于将基板229支撑在基座的暴露表面(诸如主体部分)上。基座228可以包括加热元件232(例如电阻加热元件)，所述加热元件可以将基板温度加热并控制在期望的工艺温度。基座228也可以由远程加热元件(诸如灯组件或任何其他加热器件)加热。
基座228的主体可以通过凸缘233耦合到主干(stem)226。主干226可以将基座228与电源插座或电源箱203电气耦合。电源箱203可以包括驱动系统，所述驱动系统控制基座228在处理区域220B内的升高和移动。主干226还可以包括向基座228提供电功率的电功率接口。电源箱203还可以包括用于电功率和温度指示器的接口，诸如热电偶接口。主干226可以包括适于与电源箱203可拆卸地耦合的底座组件238。在电源箱203上方示出了周向环235。在一些实施例中，周向环235可以是适于作为机械止动件或平台的肩部，并且被配置成在底座组件238和电源箱203的上表面之间提供机械接口。
可包括杆230，所述杆230穿过在处理区域220B的底壁216中形成的通道224，并且所述杆230可以用于定位穿过基座228的主体设置的基板抬升销261。基板抬升销261可以选择性地将基板229与基座间隔开，以有助于用机器人交换基板229，所述机器人用于将基板229通过基板传送口260传送进出处理区域220B。
腔室盖204可以与腔室主体202的顶部部分耦合。盖204可以容纳与所述盖204耦合的一个或多个前驱物分布系统208。前驱物分布系统208可以包括前驱物入口通道240，前驱物入口通道240可以通过气体输送组件218将反应物和清洁前驱物输送到处理区域220B中。气体输送组件218可包括气体箱248，气体箱248具有设置在面板246中间的阻隔板244。射频(“RF”)源265可与气体输送组件218耦合，射频源265可对气体输送组件218供电，以有助于在气体输送组件218的面板246和基座228之间产生等离子体区域，所述等离子体区域可以是腔室的处理区域。在一些实施例中，RF源可以与腔室主体202的其他部分(诸如基座228)耦合，以促进等离子体产生。介电隔离器258可以设置在盖204和气体输送组件218之间，以防止将RF功率传导到盖204。遮蔽环206可以设置在与基座228接合的基座228的周边上。
可选的冷却通道247可以在气体分配系统208的气体箱248中形成，以在操作期间冷却气体箱248。传热流体(诸如水、乙二醇、气体等)可以循环通过冷却通道247，使得气体箱248可以被维持在预定义温度。衬垫组件227可以设置在处理区域220B内紧邻腔室主体202的侧壁201、212，以防止侧壁201、212暴露于处理区域220B内的处理环境。衬垫组件227可以包括周向泵送腔225，周向泵送腔225可以耦合至泵送系统264，泵送系统264被配置成从处理区域220B排出气体和副产物并且控制处理区域220B内的压力。多个排气口231可以在内衬组件227上形成。排气口231可以被配置成允许气体以促进系统200内的处理的方式从处理区域220B流至周向泵送腔225。
图3示出了根据本技术的一些实施例的示例性面板或喷头300的示意性局部横截面图。图3可以示出与系统200中的部件有关的进一步细节，诸如面板246的进一步细节。喷头300被理解为包括先前在一些实施例中讨论的系统200的任何特征或方面。喷头300可用于执行半导体处理操作，包括如前所述的硬掩模材料的沉积，以及其他沉积、移除和清洁操作。喷头300可以示出面板可以被并入半导体处理系统中的局部视图，并且可以示出横跨面板中心的视图，面板在其他情况下可以具有任何尺寸，并且包括任何数量的孔。尽管示出有多个横向或径向向外延伸的孔，但应理解的是，该图仅用于对实施例的说明而被包括，并且不应被认为是按比例的。例如，示例性面板可由沿中心直径的大于或约20个孔的多个孔表征，如下文中将进一步描述的，并且可由大于或约25个孔、大于或约30个孔，大于或约35个孔、大于或约40个孔、大于或约45个孔、大于或约50个孔，或更多的孔表征。
如上所述，喷头300可以被包括在任何数量的处理室中，包括上述系统200。喷头300可以作为气体入口组件的一部分被包括，诸如与气体箱和阻隔板一起被包括。例如，气体箱可以界定或提供进入处理腔室的入口。基板支撑件可以被包括在腔室内，并且可以被配置成支撑用于处理的基板。阻隔板可以被包括在气体箱和基板支撑件之间的腔室中。阻隔板可以包括或界定多个穿过板的孔。所述部件可以包括先前针对类似部件描述的特征中的任何特征，以及类似地由本技术涵盖的各种其他修改。
如前所述，喷头300可以被定位在阻隔板和基板支撑件之间的腔室内。喷头300可由第一表面305和可与第一表面相对的第二表面310表征。在一些实施例中，第一表面305可以面向阻隔板、气体箱或进入处理腔室的气体入口。第二表面310可以被定位成面对处理腔室的处理区域内的基板支撑件或基板。例如，在一些实施例中，面板的第二表面310和基板支撑件可以至少部分地界定腔室内的处理区域。喷头300可由中心轴线315表征，中心轴线可以垂直地延伸通过喷头的中点，并且可以与通过处理腔室的中心轴线同轴。
喷头300可以界定多个孔320，所述多个孔320被界定为通过喷头并且从第一表面305延伸通过第二表面310。每个孔320可以提供通过喷头300的流体路径，并且孔320可以提供对腔室的处理区域的流体进出。取决于喷头300的尺寸和孔的尺寸，喷头300可界定穿过板的任何数量的孔，诸如大于或约1000个孔、大于或约2000个孔、大于或约3000个孔、大于或约4000个孔、大于或约5000个孔、大于或约6000个孔或更多。如上所述，孔可以被包括在从中心轴线向外延伸的一组环中，并且可以包括任何数量的如前所述的环。环可由任何数量的形状表征，包括圆形或椭圆形，以及任何其他几何图案，诸如矩形、六边形，或者是可以包括分布在径向向外的多个环中的孔的任何其他几何图案。所述孔可以具有均匀或交错的间距，并且可以从中心到中心以小于或约10mm间隔开。所述孔也可以以小于或约9mm、小于或约8mm、小于或约7mm、小于或约6mm、小于或约5mm、小于或约4mm、小于或约3mm或更小的距离间隔开。
环可由如上所述的任何几何形状表征，并且在一些实施例中，孔可由每个环的孔的缩放函数表征。例如，在一些实施例中，第一孔可以(诸如沿着所示的中心轴线)延伸穿过面板的中心。孔的第一环可以围绕中心孔延伸，并且可以包括任意数量的孔(诸如在约4个和约10个孔之间)，这些孔可以围绕延伸穿过每个孔的中心的几何形状等距地间隔开。任何数量的孔的额外的环可以从第一环径向向外延伸，并且可以包括因变于第一环中的孔的数量的一定数量的孔。例如，每个连续的环中的孔的数量可由根据方程XR的每个对应环内的孔的数量表征，其中，X是孔的基数，并且R是相应的环数量。孔的基数可以是第一环内的孔的数量，并且在一些实施例中可以是一些其他数量，如下文中将进一步描述的，其中第一环具有增加数量的孔。例如，对于具有围绕第一环分布的5个孔的示例性面板，并且其中5可以是孔的基数，第二环可由10个孔((5)×(2))表征，第三环可由15个孔((5)×(3))表征，并且第20个环可由100个孔(((5)×(20)))表征。如前所述，这可以继续用于孔的任何数量的环，诸如多达、大于或约50个环。在一些实施例中，跨面板的多个孔中的每个孔可由孔轮廓表征，在本技术的实施例中孔轮廓可以相同或不同。
喷头300可以包括核心区域325。核心区域325可以由一种或多种铝合金形成，其包括但不限于本文中所讨论的铝合金。在一些实施例中，核心区域325可以涂覆铝和/或氧化铝，这可以帮助防止铝合金内的金属元素的痕量金属污染，否则当暴露于高温时，这些金属元素可能会迁移出铝合金。核心区域325的铝合金可具有大于或约100W/mK、大于或约110W/mK、大于或约120W/mK、大于或约130W/mK、大于或约140W/mK、大于或约150W/mK、大于或约160W/mK、大于或约170W/mK、或更大的热传导率。核心区域325的铝合金可具有小于约10微欧厘米、小于约9微欧厘米、小于约8微欧厘米、小于约7微欧厘米、小于约6微欧厘米、小于约5微欧厘米、小于约4微欧厘米、小于约3微欧厘米或更小的电阻率。这样的电阻率水平可以使喷头300在处理操作期间既作用为接地又作用为阴极。核心区域325的铝合金可具有在约17和24之间、在约18和23之间、在约19和22之间，或在约20和21之间的热膨胀系数。在一些实施例中，核心区域325的铝合金可以具有大致均质的微结构，这可以为喷头300提供增加的强度和耐热性质。
核心区域325可以包括内核心区域330和外核心区域335。内核心区域330可以包括孔320。外核心区域335可以围绕内核心区域330的外周边设置，并且可以在最外侧的环或最外侧的一排孔320的径向外侧。内核心区域330可以大致是圆形或盘形的。外核心区域330的形状可以是环形，其中外核心区域330的中心开口的内径与内核心区域330的外径匹配，使得内核心区域330可以接收在外核心区域330的中心开口内。内核心区域330的周边边缘可以包括阶部333，外核心区域335的下表面的内部部分337可以安置在阶部333上。内核心区域330的周边边缘可以与外核心区域335的内边缘结合。在一些实施例中，可以使用电子束焊接来执行结合。在其他实施例中，可以使用一种或多种固态技术(诸如摩擦搅拌焊接)来执行结合。固态结合技术的使用防止核心区域325的铝合金需要被熔化并随后重新凝固，这可以帮助保留铝合金的机械性质(强度、抗蠕变性/抗变形性等)。在一些实施例中，内核心区域330和外核心区域335可以整体形成并且可以不需要结合。
外核心区域335可以包括内部区段339和外部区段341。外核心区域335的内部区段339可以界定环形通道340，所述环形通道340可以围绕内核心区域330。内部区段339可以被界定为外核心区域335的一部分，所述部分界定环形通道340的和/或设置在阶部333上方，而外部区段341可以被界定为外核心区域335在加热元件345和/或阶部333径向外侧的部分。加热元件345可以设置在环形通道340内。加热元件345可用于在处理和/或清洁操作期间加热喷头300的核心区域325。例如，加热元件可以与诸如AC功率源之类的功率源耦合，所述功率源可以向加热元件供应电流以增加喷头300的核心区域325的温度。加热元件345和环形通道340可以被定位在靠近下表面的内部部分337。这可以将加热元件345定位在阶部333上方并且靠近内核心区域330的周边边缘，这可以有助于使对内核心区域330的热传导最大化。外核心区域335的外部区段341可以具有至少与内部区段339的宽度相同的宽度。例如，外部区段341的宽度可以是内部区段339的宽度的至少或约100％、内部区段339的宽度的至少或约100％、内部区段339的宽度的至少或约100％、内部区段339的宽度的至少或约110％、内部区段339的宽度的至少或约120％，内部区段339的宽度的至少或约130％、内部区段339的宽度的至少或约140％、内部区段339的宽度的至少或约150％、或更大。外部区段341的这种宽度可以提供额外材料，所述额外材料可以帮助将喷头300的外部部件从加热元件345和/或处理腔室的热量热屏蔽。
喷头300可以包括围绕外核心区域335的外周边设置的环形衬垫350。外核心区域334的周边边缘可以与环形衬垫350的内边缘结合。可以使用一种或多种固态技术(诸如摩擦搅拌焊接)执行结合。固态结合技术的使用防止核心区域325的铝合金需要被熔化和随后重新凝固，这可以帮助保持铝合金的机械性质(强度、抗潜变性/抗变形性等)。
环形衬垫350可以界定一个或多个通道，所述通道可以接收O形环355和/或可以密封处理容积的其他密封构件。环形衬垫350可以具有比核心区域325的铝合金更低的热传导率。例如，环形衬垫350的热传导率可以是小于或约20％、小于或约15％、小于或约10％、或小于铝合金的热传导率。在特定实施例中，环形衬垫350的热传导率可以是小于或约35W/mK、小于或约30W/mK、小于或约25W/mK、小于或约20W/mK、小于或约15W/mK、小于或约10W/mK或更小。环形衬垫350的相对低的热传导率可以使环形衬垫350能够将诸如O形环355和/或其他温敏部件之类的各种部件从喷头300的高温隔离或者以其他方式热屏蔽，喷头300的高温在许多高温处理操作中可超过350℃。这可以实现常规O形环355的使用。在一个特定实施例中，环形衬垫350可以由不锈钢形成，然而，在各种实施例中可以使用具有低热传导率的其他金属材料。
环形衬垫350的热膨胀系数可以在核心区域325的铝合金的热膨胀系数的约50％内、约40％内、约30％内、约20％内、约10％内、约5％内或更少。例如，环形衬垫350可具有在约14到18之间或在约16到18之间的热膨胀系数。通过具有在上述范围内的热膨胀系数，可以以低的热应力问题风险实现铝合金和环形衬垫350的稳健耦合。
在一些实施例中，可以选择具有非常不同的热膨胀系数的铝合金和用于环形衬垫的材料。例如，铝合金的热膨胀系数可以以下述幅度超过环形衬垫的热膨胀系数：大于或约70％、大于或约80％、大于或约90％、大于或约100％、大于或约125％、大于或约150％、大于或约175％、大于或约200％、或更大。例如，环形衬垫350可具有在约8到10之间的热膨胀系数，而核心区域的铝合金可具有在约17到24之间的热膨胀系数。在一个特定实施例中，环形衬垫350可以包括不锈钢和/或钛，但是在各种实施例中可以使用具有低热传导率的其他金属材料。图3A示出了根据本技术的一些实施例的示例性喷头300a的示意性局部横截面图，所述示例性喷头300a可以实现环形衬垫350a和核心区域325a的热膨胀系数的此类失配。喷头300a可以与喷头300类似，并且可以包括上述特征中的任何特征。例如，喷头300a可以包括具有内核心区段330a和外核心区段335a的核心区域325a。外核心区段335a可以包括加热元件345a。环形衬垫350a可以围绕外核心区段335a的周边边缘设置。喷头300a可以包括设置在外核心区域335a和环形衬垫350a之间的中间材料360a。中间材料360a可具有介于核心区域325a的铝合金和环形衬垫350a的热膨胀系数之间的热膨胀系数，这可以帮助桥接两个部件之间的热膨胀失配。例如，中间材料360a可以具有在约12到20之间的热膨胀系数。在特定实施例中，中间材料360a可以包括银，然而可以在各种实施例中使用具有在上述范围内的热膨胀系数的其他金属材料。中间材料360a的使用可以使得能够选择具有非常不同的热膨胀系数的铝合金和用于环形衬垫350a的材料，而不具有因热应力造成损坏的高风险。在一些实施例中，这可以使具有非常低的热传导率的材料的环形衬垫350a能够用于更好地热屏蔽热敏部件。
图4示出了根据本技术的一些实施例的制造半导体处理腔室喷头的示例性方法400的操作。所述方法可用于制造各种喷头，包括但不限于上述的喷头300和300a。方法400可包括多个可选操作，这些可选操作可能与或可能不与根据本技术的方法的一些实施例具体相关联。
方法400可以包括在方法400开始之前的可选操作，或者所述方法可以包括额外操作。例如，方法400可以包括以与所示顺序不同的顺序执行的操作。在一些实施例中，方法400可以包括在操作405处形成熔化的铝合金组成物。铝合金组成物可具有大于或约100W/mK、大于或约110W/mK、大于或约120W/mK、大于或约130W/mK、大于或约140W/mK、大于或约150W/mK、大于或约160W/mK、大于或约170W/m K、或更高的热传导率。铝合金组成物可以具有小于约10微欧厘米、小于约9微欧厘米、小于约8微欧厘米、小于约7微欧厘米、小于约6微欧厘米、小于约5微欧厘米、小于约4微欧厘米、小于约3微欧厘米或更小的电阻率。这样的电阻率水平可以使喷头在处理操作期间既作用为接地又作用为阴极。
铝合金组成物可以包括铝、铁、钒和/或硅的混合物，其中每种组成物占铝合金的重量的至少0.5％。所述组成物可以包括大于或约1.5:1、大于或约2:1、大于或约2.5:1、大于或约3:1、大于或约3.5:1、大于或约4:1、大于或约4.5:1、大于或约5:1、大于或约6:1、或更大的铁与钒的比率。这样的比率可以降低所得铝合金的电阻率，同时增加铝合金的强度。所述组成物可以包括大于或约2.5:1、大于或约3:1、大于或约3.5:1、大于或约4:1、大于或约5:1、大于或约6:1、大于或约7:1，或更大的铁与硅的比率。所述组成物可以包括大于或约1:1、大于或约1.25:1、大于或约1.5:1，或更大的硅与钒的比率。
在另一实施例中，铝合金组成物可以包括铝和铜的混合物。所述组成物可以包括多种其他元素，诸如但不限于铁、镁、锰、钛、镍、钼和/或锆，这些元素中的每种以重量的至少约0.5％的量存在。在一些实施例中，所述组成物可以包括重量的小于约0.5％的硅。所述组成物可以包括大于或约20:1、大于或约25:1、大于或约30:1、大于或约35:1、或更大的铝与铜的比率。所述组成物可以包括大于或约0.5:1、大于或约0.75:1、大于或约1:1、大于或约1.25:1、大于或约1.5:1、或更大的铜与铁的比率。应当理解的是，以上详述的合金组成物仅为示例，并且具有期望的热传导率和电阻率的其他铝合金。
在操作410处，方法400可以包括以至少或约103K/sec、至少或约104K/sec、至少或约105K/sec、至少或约106K/sec，至少或约107K/sec，或更大的速率冷却熔化的铝合金组成物。例如，可以使用急速冷冻、淬火、粉末原子化和/或以所述速率冷却铝合金的其他工艺来冷却熔化的铝合金组成物。以这样的速率冷却铝合金可以产生固体(solid)铝合金粒子，其通常具有尺寸在小于1微米的数量级上的大致均质的微结构，而不是在使用常规铝合金工艺生产的合金中发现的多相微结构，常规铝合金工艺产生在更大范围的粒子尺寸分布中的更大的粒子。经冷却的铝合金的均质的微结构可以提供比常规地形成的铝合金增加的强度和稳定性/耐热性，并且可以使本发明的铝合金适用于高温喷头应用。
在操作415处，喷头的全部或部分可以由固体铝合金粒子形成。例如，在一些实施例中，喷头的核心区域可以由固体铝合金粒子形成。形成喷头可以包括将粒子切碎和/或以其他方式将粒子破碎成较小的碎片。粒子和/或较小的碎片可以被压实。例如，可以使用热等静压制压实粒子和/或较小的碎片以使粒子和/或较小的碎片被压缩，以实现更高的密度均匀性。在压实之后，可以锻压(forge)和/或挤压(extrude)粒子和/或较小的碎片，这可以形成具有用于喷头和/或核心区域的大致形状和尺寸的喷头毛胚。铝合金的锻压和/或挤压可进一步将密度均匀性提高至大于约95％、大于或约96％、大于或约97％、大于或约98％、大于或约99％、大于或约99.5％、或更大。挤压和/或锻压工艺可以赋予铝合金最终的热传导性、电阻率、强度和/或耐热性质。一旦喷头毛胚形成，喷头和/或喷头的核心区域就可由毛胚形成。例如，喷头毛胚可被机械加工以形成喷头和/或核心区域。机械加工可以包括形成穿过喷头的核心区域的多个孔，和/或铣削或以其他方式机械加工喷头和/或核心区域的最终尺寸。在一些实施例中，核心区域可以包括内核心区域和围绕内核心区域的外周边设置的外核心区域。内核心区域可以被机械加工或以其他方式形成，以界定多个从中穿过的孔。外核心区域可以被机械加工和/或以其他方式形成，以界定接收加热元件的通道。可以使用摩擦搅拌焊接、扩散结合和/或电子束焊接来耦合内核心区域和外核心区域。
在操作420处，喷头和/或核心区域可以涂覆铝和/或氧化铝。例如，铝可以被电镀到喷头和/或核心区域上。可以使用原子层沉积将氧化铝施加到喷头和/或核心区域。涂层可以帮助防止铝合金内的金属元素的痕量金属污染，否则当在处理和/或清洁操作期间暴露于高温时，这些金属元素可能会迁移出铝合金。
在仅形成喷头的核心区域的实施例中，方法400可以可选地包括在操作425处将喷头的核心区域的周边边缘与环形衬垫结合。环形衬垫可以具有比喷头的核心区域更低的热传导率，这可以帮助环形衬垫使热敏部件(诸如O形环)从喷头高温热屏蔽。可以使用固态结合技术(诸如摩擦搅拌焊接)将喷头的核心区域的周边边缘与环形衬垫结合。在一些实施例中，将喷头的核心区域的周边边缘与环形衬垫结合可以包括在核心区域的周边边缘和环形衬垫之间耦合中间材料。可以使用固态结合技术(诸如摩擦搅拌焊接)将中间材料与核心区域和/或环形衬垫结合。中间材料可具有介于核心区域的热膨胀系数和环形衬垫的热膨胀系数之间的热膨胀系数。这可以使得能够主要基于热传导率的考虑来选择铝合金和环形衬垫材料，其中中间材料对核心区域和环形衬垫的热膨胀系数之间的间隙进行桥接。
在前文的描述中，为了解释的目的，已经阐述了许多细节以便提供对本技术的各种实施例的理解。然而，对于本领域技术人员将显而易见的是，某些实施例可以在没有这些细节中的某些细节的情况下或具有额外细节的情况下实践。
在已经公开了若干实施例的情况下，本领域技术人员应当理解在不背离实施例的精神的情况下，可以使用各种修改、替代构造和等效物。此外，为了避免不必要地混淆本技术，没有描述许多众所周知的工艺和元件。因此，以上描述不应被视为限制本技术的范围。
在提供数值范围的情况下，应当理解的是对于每个中间值，到下限单位的最小分数，除非上下文另有明确说明，否则在上限和下限之间的范围也被具体公开。也涵盖了如下的任何较窄范围：介于陈述的范围中的任何陈述值或未陈述的中间值以及该陈述的范围中的任何其他陈述的值或中间值之间。这些较小范围的上限和下限可以独立地包括或排除在所述范围内，且每个范围中的其中一个限值、两个限值都包含或都不包含在较小范围内的每个范围也包括在所述技术内，但收到陈述的范围中任何特定排除的限值的影响。当该陈述的范围包括一个或两个限值时，排除其中一个或两个限值的范围也包括在内。
如本文和所附权利要求中使用的，单数形式“一(a/an)”和“所述(the)”包括了复数的引用，除非上下文另有明确规定。因此，例如，对“一加热器”的引用包括多个这样的加热器，并且对“所述突出部”的引用包括对本领域技术人员已知的一个或多个突出部及其等效物的引用，以此类推。
此外，当在本说明书和以下权利要求中使用词语“包括(comprise(s))”、“包括有(comprising)”、“包含(contain(s))”、“包含有(containing)”、“包括(include(s))”和“包括有(including)”时，旨在指定特征、整数、部件或操作的存在，但它们不排除一个或多个其他特征、整数、部件、操作、动作或群组的存在或添加。

Claims (20)

1.一种半导体处理腔室喷头，包括：
内核心区域，所述内核心区域界定多个孔；
外核心区域，围绕所述内核心区域的外周边设置，所述外核心区域界定环形通道；
加热元件，设置在所述环形通道中；以及
环形衬垫，围绕所述外核心区域的外周边设置，其中：
所述内核心区域和所述外核心区域包括铝合金；并且
所述环形衬垫包括比所述铝合金低的热传导率。
2.如权利要求1所述的半导体处理腔室喷头，其中：
所述环形衬垫的热传导率低于所述铝合金的热传导率的约20％。
3.如权利要求1所述的半导体处理腔室喷头，其中：
所述环形衬垫的热膨胀系数在所述铝合金的热膨胀系数的约50％以内。
4.如权利要求1所述的半导体处理腔室喷头，其中：
所述环形衬垫包括不锈钢和钛中的一者或两者。
5.如权利要求1所述的半导体处理腔室喷头，其中：
所述环形衬垫和所述外核心区域是使用固态结合技术结合的。
6.如权利要求1所述的半导体处理腔室喷头，其中：
所述铝合金包括大致均质的微结构。
7.如权利要求1所述的半导体处理腔室喷头，进一步包括：
中间材料，设置在所述外核心区域与所述环形衬垫之间，其中所述中间材料具有介于所述铝合金的热膨胀系数与所述环形衬垫的热膨胀系数之间的热膨胀系数。
8.一种制造半导体处理腔室喷头的方法，包括：
形成熔化的铝合金组成物；
以至少103K/秒的速率冷却所述熔化的铝合金组成物，以形成固体铝合金粒子；
从所述固体铝合金粒子形成喷头；以及
用铝或氧化铝中的一者涂覆所述喷头。
9.如权利要求8所述的制造半导体处理腔室喷头的方法，其中：
涂覆所述喷头包括将铝电镀至所述喷头上。
10.如权利要求8所述的制造半导体处理腔室喷头的方法，其中：
涂覆所述喷头包括经由原子层沉积将氧化铝施加至所述喷头上。
11.如权利要求8所述的制造半导体处理腔室喷头的方法，其中：
形成所述喷头包括：
压实所述固体铝合金粒子；
从压实的所述固体铝合金粒子形成喷头毛胚；以及
机械加工所述喷头毛胚以形成所述喷头。
12.如权利要求11所述的制造半导体处理腔室喷头的方法，其中：
形成所述喷头进一步包括在形成所述喷头毛胚之前锻压或挤压经压实的固体铝合金粒子。
13.如权利要求8所述的制造半导体处理腔室喷头的方法，其中：
所述喷头的铝合金部分包括小于约10微欧厘米的电阻率。
14.如权利要求8所述的制造半导体处理腔室喷头的方法，其中：
所述喷头的铝合金部分包括至少约100W/mK的热传导率。
15.如权利要求8所述的制造半导体处理腔室喷头的方法，其中：
冷却所述熔化的铝合金组成物包括从包括急速冷冻、淬火和粉末原子化的群组中选择的一者或多者。
16.一种制造半导体处理腔室喷头的方法，包括：
形成熔化的铝合金组成物；
以至少103K/秒的速率冷却所述熔化的铝合金组成物，以形成固体铝合金粒子；
从所述固体铝合金粒子形成喷头的核心区域；
用铝或氧化铝中的一者涂覆所述喷头的所述核心区域；以及
将所述喷头的所述核心区域的周边边缘与环形衬垫结合，其中所述环形衬垫包括比所述喷头的所述核心区域低的热传导率。
17.如权利要求16所述的制造半导体处理腔室喷头的方法，其中：
所述喷头的所述核心区域包括内核心区域和围绕所述内核心区域的外周边设置的外核心区域；
所述内核心区域界定多个孔；并且
所述外核心区域界定接收加热元件的通道。
18.如权利要求17所述的制造半导体处理腔室喷头的方法，进一步包括：
使用摩擦搅拌焊接或电子束焊接中的一者或两者来耦合所述内核心区域和所述外核心区域。
19.如权利要求16所述的制造半导体处理腔室喷头的方法，其中：
将所述环形衬垫与所述喷头的所述核心区域的所述周边边缘结合包括使用固态结合技术。
20.如权利要求16所述的制造半导体处理腔室喷头的方法，其中：
将所述环形衬垫与所述喷头的所述核心区域的所述周边边缘结合包括将中间材料耦合在所述核心区域的所述周边边缘与所述环形衬垫之间；并且
所述中间材料具有介于所述核心区域的热膨胀系数与所述环形衬垫的热膨胀系数之间的热膨胀系数。
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