TWI825655B - 高溫噴頭的製造 - Google Patents

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夏永 賈法利
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Abstract

示例性半導體處理腔室噴頭包括內核心區域。內核心區域可以界定複數個開孔。噴頭可以包括圍繞所述內核心區域的外周邊設置的外核心區域。外核心區域可以界定環形通道。 噴頭可以包括設置在環形通道內的加熱元件。噴頭可以包括圍繞外核心區域的外周邊設置的環形襯墊。內核心區域和外核心區域可以包括鋁合金。環形襯墊可以具有比鋁合金更低的熱傳導率。

Description

高溫噴頭的製造
相關申請案的交叉引用：本申請案主張於2021年4月20日提交之名稱為「高溫噴頭的製造」的美國非臨時申請案No.17/235,258的權益與優先權，該申請案的所有內容出於所有目的全部被引用併入本文中。
本技術涉及用於半導體製造的部件和設備。更具體來說，本技術涉及處理腔室分配部件以及其他半導體處理器材。
藉由在基板表面上產生錯綜複雜的圖案化材料層的製程而實現積體電路。在基板上生產圖案化材料需要用於形成和去除材料的控制方法。腔室部件經常將處理氣體輸送到基板以沉積膜或去除材料。為了促進對稱性和均勻性，許多腔室部件可以包括規則圖案的特徵，例如開孔（aperture），藉此以可以增加均勻性的方式提供材料。然而，這可能會限制用於晶圓上校正的調整配方的能力。
因此，需要可用於生產高品質裝置和結構的改良系統和方法。本技術解決了這些和其他需求。
示例性的半導體處理腔室噴頭包括內核心區域。內核心區域可以界定複數個開孔。噴頭可以包括圍繞內核心區域的外周邊設置的外核心區域。外核心區域可以界定環形通道。噴頭可以包括設置在環形通道內的加熱元件。噴頭可以包括圍繞外核心區域的外周邊設置的環形襯墊。內核心區域和外核心區域可以包括鋁合金。環形襯墊可以具有比鋁合金低的熱傳導率。
在某些實施例中，環形襯墊的熱傳導率可以低於鋁合金的熱傳導率的大約20%。環形襯墊的熱膨脹係數可以在鋁合金的熱膨脹係數的大約50%以內。環形襯墊可以包括不鏽鋼與鈦中的一者或兩者。可以使用固態結合技術結合環形襯墊和外核心區域。鋁合金可以具有大致均質的微結構。噴頭可以包括設置在外核心區域和環形襯墊之間的中間材料。中間材料可以具有在鋁合金的熱膨脹係數和環形襯墊的熱膨脹係數之間的熱膨脹係數。
本技術的某些實施例可以涵蓋製造半導體處理腔室噴頭的方法。所述方法可以包括形成熔化的鋁合金組成物。所述方法可以包括以至少10 3K/秒的速率冷卻熔化的鋁合金組成物以形成多個固體（solid）鋁合金粒子。所述方法可以包括從固體鋁合金粒子形成噴頭。所述方法可以包括用鋁或氧化鋁的其中之一塗覆噴頭。
在某些實施例中，塗覆噴頭可以包括將鋁電鍍到噴頭上。塗覆噴頭可以包括透過原子層沉積將氧化鋁施加到噴頭上。形成噴頭可以包括壓實（compact）固體鋁合金粒子。形成噴頭可以包括從該等固體鋁合金粒子形成噴頭毛胚。形成噴頭可以包括機械加工噴頭毛胚以形成噴頭。形成噴頭可以包括在形成噴頭毛胚之前將壓實的該等固體鋁合金粒子鍛壓（forge）或擠壓（extrude）。噴頭的鋁合金部分可以具有小於大約10微歐厘米（microohm cm）的電阻率。噴頭的鋁合金部分可以具有至少大約為100W/mK的熱傳導率。冷卻熔化的鋁合金組成物可以包括從一群組中選擇的一者或多者，該群組包括：急速冷凍（flash freezing）、淬火（quenching）及粉末原子化。
本技術的某些實施例可以涵蓋製造半導體處理腔室噴頭的方法。所述方法可以包括形成熔化的鋁合金組成物。所述方法可以包括以至少10 3K/秒的速率冷卻熔化的鋁合金組成物，以形成多個固體鋁合金粒子。所述方法可以包括從該等固體鋁合金粒子形成噴頭的核心區域。所述方法可以包括用鋁或氧化鋁的其中之一塗覆噴頭的核心區域。所述方法可以包括將環形襯墊與噴頭的核心區域的周邊邊緣結合。環形襯墊包括比噴頭的核心區域更低的熱傳導率。
在某些實施例中，噴頭的核心區域可以包括內核心區域和圍繞內核心區域的外周邊設置的外核心區域。內核心區域可以界定複數個開孔。外核心區域可以界定接收加熱元件的通道。所述方法可以包括透過使用摩擦攪拌焊接（friction stir weld）或電子束焊接的其中一者或兩者耦合內核心區域及外核心區域。將環形襯墊與噴頭的核心區域的周邊邊緣結合可以包括使用固態結合技術。將環形襯墊與噴頭的核心區域的周邊邊緣結合可以包括將中間材料耦合於核心區域的周邊邊緣與環形襯墊之間。中間材料可以具有介於核心區域的熱膨脹係數以及環形襯墊的熱膨脹係數之間的熱膨脹係數。
這樣的技術可以提供優於習知系統和技術的許多益處。例如，本技術的實施例可以提供能夠承受更高處理溫度而不損失強度、變形或表現出潛變的噴頭。這使得更高溫度的處理操作能夠被實行，進而可以減少噴頭和晶圓上的副產物沉積，也減少晶圓上的缺陷。結合以下的說明和附圖對這些和其他實施例以及它們的許多優點和特徵進行更詳細地敘述。
電漿增強沉積製程可以賦能（energize）一種或多種成分前驅物以促使基板上的膜成形。可以生產任何數量的材料膜來開發半導體結構，包括導電和介電膜，以及促使材料轉移和去除的膜。舉例來說，可以形成硬遮罩膜以促進基板的圖案化，同時保護下方材料以使下方材料被以另外的方式維持。在許多處理腔室中，數種前驅物可以在氣體分配板中被混合並且被輸送到腔室的處理區域，基板可以被設置於腔室的處理區域中。可以通過腔室內的一個或多個部件分配前驅物，這可以產生徑向或橫向的輸送分配，藉以在基板的表面上提供增加的形成或去除。
隨著元件特徵尺寸的縮小，基板表面上的公差可能被縮減，並且膜上的材料特性差異可能會影響元件的實現和均勻性。許多腔室包括特性製程特徵，這可能會在整個基板上產生不均勻性。溫度差異、流動圖案均勻性和處理的其他方面可能會影響基板上的膜，從而在整個基板上對生產或去除的材料產生膜均勻性差異。舉例來說，一個或更多個裝置可以被包括在處理腔室中，用於在處理腔室內輸送和分配前驅物。阻擋板可以被包括在腔室中以在前驅物流中提供扼流圈（choke），這可以增加阻擋板處的停留時間和前驅物的橫向或徑向分佈。噴頭可以進一步提高輸送進入處理區域中的均勻性，這可以改善沉積或蝕刻。
某些半導體處理的操作包括可能超過350°C的高處理溫度。如此高的處理溫度可以提供若干益處，例如減少噴頭和其他腔室部件上的殘留物堆積、減少掉落缺陷的發生、縮短清潔時間和提高沉積速率。通常，由於鋁的低電阻率，噴頭由鋁合金製成。然而，習知的鋁合金在暴露於超過 200 °C 的處理溫度時會遭受強度損失、變形和潛變，這可能使噴頭不適用於高溫處理操作。
本技術透過由以至少10 3K/s的速率冷卻的鋁合金形成噴頭來克服這些挑戰，這種冷卻方式可以產生更耐熱的鋁合金。這種鋁合金在短期和長期暴露於高溫下都可以具有比習知鋁合金更強的強度，並且可以在高溫環境中提供更大的抗變形和抗潛變性。此外，本技術提供了包括環形襯墊的噴頭設計，該環形襯墊由熱傳導率低於鋁合金的材料形成。這可以使環形襯墊能夠更好地將諸如O形環或其他密封件的熱敏部件隔離處理腔室內的高溫。本技術可以使得高溫處理操作得以被實行，同時可以導致噴頭和其他腔室部件上的殘留物堆積減少、更少的掉落缺陷、更快的清潔時間和更高的沉積速率。
儘管剩餘的揭示內容將例行地識別利用本揭示技術的特定沉積製程，應容易理解的是所述的系統和方法同樣可應用於其他的沉積和清潔腔室，以及可能發生在所述腔室中的製程。據此，不應認為所述技術僅限於與這些特定的沉積製程或腔室一起使用。在描述對根據本技術實施例的系統所進行的額外變化和調整之前，本揭示將討論一種可能的系統和腔室，其可以包括根據本技術的實施例的蓋堆疊部件。
圖1顯示了根據本技術的實施例的沉積、蝕刻、烘烤和固化腔室的處理系統100的一個實施例的俯視圖。在圖式中，一對前開式晶圓傳送盒102供應各種尺寸的基板，這些基板由機械臂104接收，並在被放置到基板處理腔室108a-f的其中之一並定位在串聯區段 109a-c之前被放置進入低壓保持區域106中。第二機械臂110可用於將基板晶圓從保持區域106輸送到基板處理腔室108a-f並輸送回來。各個基板處理腔室108a-f可以被配備以實行數種基板處理操作，該操作包括本文所述的半導體材料的堆疊的形成，此外亦包括電漿增強化學氣相沉積、原子層沉積、物理氣相沉積、蝕刻、預清潔、脫氣、定向和其他包含退火、灰化等等的基板製程。
基板處理腔室108a-f可以包括用於在基板上沉積、退火、固化和/或蝕刻介電膜或其他膜的一個或更多個的系統部件。在一種配置中，兩對處理腔室，例如，108c-d和108e-f，可以被用於在基板上沉積介電材料，而第三對處理腔室，例如，108a-b，可以被用於蝕刻所沉積的介電質。在另一種配置中，所有三對腔室，例如108a-f，可以配置為在基板上沉積交替介電膜的堆疊。所描述的任何一種或更多種的製程可以在與不同實施例中所示的製造系統分開的腔室中進行。應當理解的是，系統100設想了用於介電膜的沉積、蝕刻、退火和固化腔室的附加配置。
圖2顯示了根據本技術的某些實施例的示例性電漿系統200的剖面示意圖。電漿系統200可以繪示一對處理腔室108，該對處理腔室108可以被裝配進一個或更多個上文所述的串聯區段109中，並且可以包括根據本技術的實施例的面板或其他部件或組件，如下文進一步的說明所述。電漿系統200通常可以包括腔室主體202，該腔室主體202具有側壁212、底壁216和內側壁201，而限定一對處理區域220A和220B。處理區域220A-220B中的每一者可以被類似地配置，並且可以包括相同的部件。
例如，處理區域220B的部件也可以被包括在處理區域220A中，處理區域220B可以包括通過形成在電漿系統200的底壁216中的通道222設置在處理區域中的基座228。基座228可以提供加熱器，該加熱器適於將基板229支撐在基座的暴露表面上，例如主體部分。基座228可以包括加熱元件232，例如電阻加熱元件，所述加熱元件可以將基板的溫度加熱並控制在期望的製程溫度。基座228也可以由遠距加熱元件加熱，例如燈組件或任何其他的加熱裝置。
基座228的主體可以藉由凸緣233耦合到主幹（stem）226。主幹226可以將基座228與電源插座或電源箱203電氣耦合。電源箱203可以包括驅動系統，驅動系統控制基座228在處理區域220B內的升高和移動。主幹226還可以包括向基座228提供電功率的電功率介面。電源箱203還可以包括用於電功率和溫度指示器的介面，例如熱電偶介面。主幹226可以包括適於與電源箱203可拆卸地耦合的底座組件238。在電源箱203上方示出了周環235。在某些實施例中，周環235可以是適於作為機械止動件或平台的肩部，並且經配置以在底座組件238和電源箱203的上表面之間提供機械介面。
可包含桿230，該桿230穿過形成在處理區域220B的底壁216中的通道224，並且該桿230可以用於定位穿過基座228的主體設置的基板抬升銷261。基板抬升銷261可以選擇性地將基板229與基座間隔開來，以利運用機器人交換基板229，該機器人用於將基板229通過基板移送端口260移送進出處理區域220B。
腔室蓋204可以與腔室主體202的頂部耦合。蓋204可以容納與該蓋204耦合的一個或更多個的前驅物分配系統208。前驅物分配系統208可以包括前驅物入口通道240，前驅物入口通道240可以透過氣體輸送組件218將反應物和清潔前驅物輸送到處理區域220B中。氣體輸送組件218可包括氣體箱248，氣體箱248具有設置在面板246中間的阻擋板244。射頻(“RF”)源265可與氣體輸送組件218耦合，射頻源265可為氣體輸送組件218供電，以在氣體輸送組件218的面板246和基座228之間產生電漿區域，該區域可以是腔室的處理區域。在某些實施例中，RF源可以與腔室主體202的其他部分（例如基座228）耦合，以促進電漿的產生。介電隔離器258可以被設置在蓋204和氣體輸送組件218之間，以防止將RF功率傳導到蓋204。遮蔽環206可以設置在與基座228接合的基座228的周邊。
可選的冷卻通道247可以形成在氣體分配系統208的氣體箱248中，以在操作期間冷卻氣體箱248。如水、乙二醇、氣體等的傳熱流體可以循環通過冷卻通道247，使得氣體箱248可以被維持在預定溫度。襯墊組件227可以設置在處理區域220B內並且緊鄰腔室主體202的側壁201、212，以防止側壁201、212暴露於處理區域220B內的處理環境。襯墊組件227可以包括外周泵送腔225，外周泵送腔225可以耦合至泵送系統264，泵送系統264經配置以從處理區域220B排出氣體和副產物並且控制處理區域220B內的壓力。複數個排氣口231可以形成在內襯組件227上。排氣口231可以經配置為允許氣體以促進系統200內處理的方式從處理區域220B流至外周泵送腔225。
圖3示出了根據本技術的某些實施例的示例性面板或噴頭300的局部剖面示意圖。圖3可以說明與系統200中的部件有關的進一步細節，例如關於面板246。噴頭300被理解為包括先前在一些實施例中討論的系統200的任何特徵或態樣。噴頭300可用於實行半導體處理操作，包括如前所述的硬遮罩材料的沉積，以及其他沉積、去除和清潔操作。噴頭300可以顯示面板可以被結合在半導體處理系統中的局部視圖，並且可以示出橫跨面板中心的視圖，面板在其他情況中可以具有任何尺寸，並且包括任何數量的開孔。儘管顯示有多個橫向或徑向向外延伸的開孔，應理解的是，該圖式僅用於說明實施例，不應被理解為是按比例繪製的。舉例來說，示例性面板的特徵在於沿中心直徑的多個開孔的數量大於或大約為20個開孔，如下文中將進一步描述的，並且可特徵在於大於或大約為25個開孔、大於或大約為30個開孔，大於或大約為35個開孔、大於或大約為40個開孔、大於或大約為45個開孔、大於或大約50個開孔，或更多。
如上所述，噴頭300可以被包括在任何數量的處理室中，包括上述系統200。噴頭300可以作為氣體入口組件的一部分被包括在內，例如與氣體箱和阻擋板一起。例如，氣體箱可以界定或提供進入處理腔室的途徑。基板支撐件可以被包括在腔室內，並且可以被配置為支撐處理用的基板。阻擋板可以被包括在氣體箱和基板支撐件之間的腔室中。阻擋板可以包括或界定多個穿過板的開孔。所述部件可以包括先前針對類似部件描述的任何特徵，以及類似地由本技術涵蓋的各種其他修改。
如先前說明所述，噴頭300可以被定位在阻擋板和基板支撐件之間的腔室內。噴頭300的特徵可以在於第一表面305和第二表面310，第二表面310可以與第一表面相對。在某些實施例中，第一表面305可以面向阻擋板、氣體箱或進入處理室的氣體入口。第二表面310可以被定位成面對處理腔室的處理區域內的基板支撐件或基板。舉例來說，在某些實施例中，面板的第二表面310和基板支撐件可以至少部分地界定腔室內的處理區域。噴頭300的特徵可以在於中心軸線315，中心軸線可以垂直地延伸通過噴頭的中點，並且可以與通過處理室的中心軸線同軸。
噴頭300可以界定複數個開孔320，所述多個開孔320被界定為通過噴頭並且從第一表面305延伸通過第二表面310。每個開孔320可以提供通過噴頭300的流體路徑，並且開孔320可以提供流體進入腔室的處理區域的途徑。取決於噴頭300的尺寸和開孔的尺寸，噴頭300可界定穿過板的任何數量的開孔，例如大於或大約為1000個開孔、大於或大約為2000個開孔、大於或大約為3000個開孔、大於或大約為4000個開孔、大於或大約為5000個開孔、大於或大約為6000個開孔或更多。如上所述，開孔可以被包括在從中心軸線向外延伸的一組環中，並且可以包括任何數量的如前所述的環。環的特徵可以是任何數量的形狀，包括圓形或橢圓形，以及任何其他幾何圖案，例如矩形、六邊形，或者是可以包括分佈在徑向向外的多個數量的環中的開孔的任何其他幾何圖案。該些開孔可以具有均勻或交錯的間距，並且可以從中心到中心以小於或大約為10mm的距離間隔開來。該些開孔也可以以小於或大約為9mm、小於或大約為8mm、小於或大約為7mm、小於或大約為6mm、小於或大約為5mm、小於或大約為4mm、小於或大約為3mm或更小的距離間隔開來。
環的特徵可以是如上所述的任何的幾何形狀，並且在一些實施例中，開孔的特徵可以是每個環的開孔的尺度函數（scaling function）。例如，在某些實施例中，第一開孔可以延伸穿過面板的中心，例如沿著所示的中心軸。開孔的第一環可以圍繞中心開孔延伸，並且可以包括任意數量的開孔，例如大約在4個和大約10個之間的開孔，這些開孔可以圍繞延伸通過每個開孔的中心的幾何形狀等距地間隔開來。任何數量的開孔的額外的環可以從第一環徑向向外延伸，並且可以包括多個開孔，這些開孔可以是第一環中開孔的數量的函數。例如，每個連續的環中的開孔的數量可以特徵在於根據方程XR的每個對應環內的開孔的數量，其中，X是開孔的基數，並且R是相應的環的數量。開孔的基數可以是第一環內的開孔的數量，並且在某些實施例中可以是一些其他數量，如下文中將進一步描述的第一環具有增加數量的開孔的實施例。例如，對於具有圍繞第一環分佈的5個開孔的示例性面板，其中 5 可以是開孔的基數，第二個環的特徵可以是10個開孔，(5)x(2)，第三個環的特徵可以是15個開孔，(5)x(3)，第20個環的特徵可以是100個開孔，(5)x(20)。如前所述，這可以繼續用於任何數量的開孔環，例如多達、大於或大約為50個環。在某些實施例中，橫跨面板的複數個開孔中的每個開孔可以特徵在於開孔輪廓（aperture profile），在本技術的實施例中開孔輪廓可以相同或不同。
噴頭300可以包括核心區域325。核心區域325可以由一種或更多種鋁合金形成，其包括但不限於本文中所討論的鋁合金。在某些實施例中，核心區域325可以塗覆鋁及/或氧化鋁，這可以幫助防止鋁合金內的金屬元素的微量金屬污染，否則當暴露於高溫時，這些金屬元素可能會轉移出鋁合金。核心區域325的鋁合金的熱傳導率可以大於或大約為100W/mK、大於或大約為110W/mK、大於或大約為120W/mK、大於或大約為130W/mK，大於或大約為140W/mK，大於或大約為150W/mK，大於或大約160W/mK，大於或大約為170W/mK，或更大。核心區域325的鋁合金的電阻率可以大約小於10微歐厘米（microohm cm）、大約小於9微歐厘米、大約小於8微歐厘米、大約小於7微歐厘米、大約小於6微歐厘米、大約小於5微歐厘米、大約小於4微歐厘米、大約小於3微歐厘米或更小。這樣的電阻率水平可以使噴頭300在處理操作期間既作用為接地又作用為陰極。核心區域325的鋁合金的熱膨脹係數可以大約在17和24之間、大約在18和23之間、大約在19和22之間，或在大約20和21之間。某些實施例中，核心區域325的鋁合金可以具有大致均質的微結構，這可以為噴頭300提供增加的強度和耐熱特質。
核心區域325可以包括內核心區域330和外核心區域335。內核心區域330可以包括開孔320。外核心區域335可以圍繞內核心區域330的外周邊設置，並且可以於最外側的環或最外排的開孔320的徑向外側。內核心區域330可以大致是圓形或圓盤形的。外核心區域330的形狀可以是環形，外核心區域330的中心開口的內徑與內核心區域330的外徑匹配，使得內核心區域330可以容納在外核心區域330的中心開口內。內核心區域330的周邊邊緣可以包括階部333，外核心區域335的下表面的內部部分337可以座落在階部333上。內核心區域330的周邊邊緣可以與外核心區域335的內邊緣結合。在某些實施例中，可以使用電子束焊接來實行結合。在其他實施例中，可以使用一種或更多種固態技術，例如摩擦攪拌焊接，來實行所述結合。固態結合技術的使用防止核心區域325的鋁合金需要被熔化並隨後重新凝固，這可以幫助保持鋁合金的機械特質（強度、抗潛變/抗變形等）。在某些實施例中，內核心區域330和外核心區域335可以一體形成並且可以不需要結合。
外核心區域335可以包括內部區段339和外部區段341。外核心區域335的內部區段339可以界定環形通道340，該環形通道340可以圍繞內核心區域330。內部區段339可以被界定為外核心區域335的一部分，該部分為界定環形通道340的部分和/或設置在階部333上方的部分，而外區段341可以被界定為外核心區域335於加熱元件345和/或階部333徑向外側的部分。加熱元件345可以設置在環形通道340內。加熱元件345可用於在處理和/或清潔操作期間加熱噴頭300的核心區域325。舉例來說，加熱元件可以與如AC功率源的功率源耦合，該功率源可以向加熱元件提供電流以增加噴頭300的核心區域325的溫度。加熱元件345和環形通道340可以被定位在靠近下表面的內部部分337。這可以將加熱元件345定位在階部333上方並且靠近內核心區域330的周邊邊緣，這有助於將至內核心區域330的熱傳導最大化。外核心區域335的外部區段341可以具有至少與內部區段339的寬度相同的寬度。例如，外部區段341的寬度可以至少或大約為內部區段339的寬度的100%、至少或大約為內部區段339的寬度的100%、至少或大約為內部區段339的寬度的100%、至少或大約為內部區段339的寬度的110%、至少或大約為內部區段339的寬度的120%，至少或大約為內部區段339的寬度的至少或大約130%、至少或大約為內部區段339的寬度的140%、至少或大約為內部區段339的寬度的150%，或更大。外部區段341的這種寬度可以提供額外材料，該額外材料可以幫助將噴頭300的外部部件熱屏蔽，以使該些外部部件免受來自加熱元件345和/或處理腔室的熱量的影響。
噴頭300可以包括圍繞外核心區域335的外周邊設置的環形襯墊350。外核心區域334的周邊邊緣可以與環形襯墊350的內邊緣結合。可以使用一種或多種固態技術（例如，摩擦攪拌焊接）實行所述的結合。固態結合技術的使用防止核心區域325的鋁合金需要被熔化和隨後重新凝固，這可以幫助保持鋁合金的機械特質（強度、抗潛變/抗變形等）。
環形襯墊350可以限定一個或更多個通道，該通道可以接收O形環355和/或可以密封處理容積的其他密封構件。環形襯墊350可以具有比核心區域325的鋁合金更低的熱傳導率。例如，環形襯墊350的熱傳導率可以小於或大約為20%、小於或大約為15%、小於或大約為10%，或小於鋁合金的熱傳導率。在特定實施例中，環形襯墊350的熱傳導率可以小於或大約為35W/mK、小於或大約為30W/mK、小於或大約為25W/mK、小於或大約為20W/mK、小於或大約為15W/mK、小於或大約為10 W/mK或更低。環形襯墊350的相對低的熱傳導率可以使環形襯墊350能夠將諸如O形環355和/或其他溫度敏感部件的各種部件隔離或以其他方式熱屏蔽噴頭300的高溫，噴頭300的高溫在許多高溫處理操作中可能會超過350°C。這可以允許習知O形環355的使用。在一個特定實施例中，環形襯墊350可以由不鏽鋼形成，然而，在各種實施例中可以使用具有低熱傳導率的其他金屬材料。
環形襯墊350的熱膨脹係數可以在核心區域325的鋁合金的熱膨脹係數的大約50%以內、大約40%以內、大約30%以內、大約20%以內、大約10%以內、大約5%以內或更少。例如，環形襯墊350的熱膨脹係數可以在大約14到18之間或在大約16到18之間。透過在上述範圍內的熱膨脹係數，可以以低的熱應力問題風險實現鋁合金和環形襯墊350的堅固耦合。
在某些實施例中，可以選擇具有非常不同的熱膨脹係數的鋁合金和用於環形襯墊的材料。例如，鋁合金的熱膨脹係數可以以下述幅度超過環形襯墊的熱膨脹係數：大於或大約70%、大於或大約80%、大於或大約90%、大於或大約100%、大於或大約125%、大於或大約150%、大於或大約175%、大於或大約200%，或更大。例如，環形襯墊350的熱膨脹係數可以在大約8到10之間，而核心區域的鋁合金的熱膨脹係數可以在大約17到24之間。在一個特定的實施例中，環形襯墊350可以包括不鏽鋼和/或鈦，但是在各種實施例中可以使用具有低熱傳導率的其他金屬材料。圖3A顯示了根據本技術的某些實施例的示例性噴頭300a的局部剖面示意圖，該示例性噴頭300a可以實現環形襯墊350a和核心區域325a的熱膨脹係數的失配。噴頭300a可以與噴頭300類似，並且可以包括上述的任何特徵。例如，噴頭300a可以包括具有內核心區段330a和外核心區段335a的核心區域325a。外核心區段335a可以包括加熱元件345a。環形襯墊350a可以圍繞外核心區段335a的周邊邊緣設置。噴頭300a可以包括設置在外核心區域335a和環形襯墊350a之間的中間材料360a。中間材料360a的熱膨脹係數可以介於核心區域325a的鋁合金和環形襯墊350a的熱膨脹係數之間，這可以幫助橋接兩個部件之間的熱膨脹失配。舉例來說，中間材料360a可以具有大約介於12和20之間的熱膨脹係數。在特定的實施例中，中間材料360a可以包括銀，然而可以在各種實施例中使用具有在上述範圍內的熱膨脹係數的其他金屬材料。中間材料360a的使用可以使得能夠選擇具有非常不同的熱膨脹係數的鋁合金和用於環形襯墊350a的材料，並且不會具有因熱應力造成損壞的高風險。在某些實施例中，這可以使包括熱傳導率極低的材料的環形襯墊350a能夠用於更好地將熱敏部件熱屏蔽。
圖4示出了根據本技術的某些實施例的製造半導體處理腔室噴頭的示例性方法400的操作。該方法可用於製造多種噴頭，包括但不限於上述的噴頭300和300a。方法400可以包括多個可選操作，這些可選操作可能與或可能不與根據本技術的方法的某些實施例具體相關聯。
方法400可以包括在方法400開始之前的可選操作，或者該方法可以包括額外操作。例如，方法400可以包括以與所示順序不同的順序實行的操作。在一些實施例中，方法400可以包括在操作405中形成熔化的鋁合金組成物。鋁合金組成物可具有大於或大約為100W/mK、大於或大約為110W/mK、大於或大約為120W/mK、大於或大約為130W/mK、大於或大約為140W/mK、大於或大約為150W/mK、大於或大約為160W/mK、大於或大約為170W/m K，或更高的熱傳導率。鋁合金組成物可以具有小於約10微歐厘米、小於約9微歐厘米、小於約8微歐厘米、小於約7微歐厘米、小於約6微歐厘米、小於約5微歐厘米、小於約4微歐厘米、小於約3微歐厘米或更小的電阻率。這樣的電阻率水平可以使噴頭在處理操作期間既作用為接地又作用為陰極。
鋁合金組成物可以包括鋁、鐵、釩和/或矽的混合物，其中每種組分佔鋁合金的至少0.5%的重量。該組成物可以包括大於或大約為1.5:1、大於或大約為2:1、大於或大約為2.5:1、大於或大約為3:1、大於或大約為3.5:1、大於或大約為4:1、大於或大約為4.5:1、大於或大約為5:1、大於或大約為6:1，或更大的鐵與釩的比例。這樣的比例可以降低所產出的鋁合金的電阻率，同時增加鋁合金的強度。該組成物可以包括大於或大約為2.5:1、大於或大約為3:1、大於或大約為3.5:1、大於或大約為4:1、大於或大約為5:1、大於或大約為6:1、大於或大約為7:1，或更大的鐵與矽的比例。該組成物可以包括大於或大約為1:1、大於或大約為1.25:1、大於或大約為1.5:1，或更大的矽與釩的比例。
在另一個實施例中，鋁合金組成物可以包括鋁和銅的混合物。該組成物可以包括數種其他的元素，例如但不限於鐵、鎂、錳、鈦、鎳、鉬和/或鋯，這些元素中的每一種以至少約0.5重量%的量存在。在某些實施例中，該組成物可以包括小於約0.5重量%的矽。該組成物可以包括大於或大約為20:1、大於或大約為25:1、大於或大約為30:1、大於或大約為35:1，或更大的鋁與銅的比例。該組成物可以包括大於或大約為0.5:1、大於或大約為0.75:1、大於或大約為1:1、大於或大約為1.25:1、大於或大約為1.5:1，或更大的銅與鐵的比例。應當理解的是，以上詳述的合金組成物僅為範例，並且具有期望的熱傳導率和電阻率的其他鋁合金。
在操作410中，方法400可以包括以至少或約10 3K/sec、至少或約10 4K/sec、至少或約10 5K/sec、至少或約10 6K/sec，至少或約10 7K/sec，或更大的速率冷卻熔化的鋁合金組成物。舉例來說，可以使用急速冷凍、淬火、粉末原子化和/或以所述速率將鋁合金冷卻的其他製程。以這樣的速率冷卻鋁合金可以產生固體（solid）鋁合金粒子，其通常具有在尺寸小於 1 微米的級數中的大致均質的微結構，而不是在使用習知的鋁合金製程生產的合金中發現的多相微結構，後者在更大範圍的粒子尺寸分佈中產生更大的粒子。冷卻後的鋁合金的均質的微結構可以提供比以習知方式形成的鋁合金更高的強度和穩定性/耐熱性，並且可以使本發明的鋁合金適用於高溫噴頭應用。
在操作415中，全部或部分的噴頭可以由固體鋁合金粒子形成。例如，在某些實施例中，噴頭的核心區域可以由固體鋁合金粒子形成。形成噴頭可以包括將顆粒切碎和/或以其他方式將顆粒破碎成較小的碎片。顆粒和/或較小的碎片可以被壓實。舉例來說，可以使用熱均壓成型壓實顆粒和/或較小的碎片以使顆粒和/或較小的碎片被壓縮（compress），藉此實現更高的密度均勻性。在壓實之後，可以鍛壓（forge）和/或擠壓（extrude）顆粒和/或較小的碎片，這可以形成具有用於噴頭和/或核心區域的大致形狀和尺寸的噴頭毛胚。鋁合金的鍛壓和/或擠壓可進一步將密度均勻性提高至大於約95%、大於或約96%、大於或約97%、大於或約98%、大於或約99 %，大於或約 99.5%，或更大。擠壓和/或鍛壓製程可以賦予鋁合金最終的熱傳導性、電阻率、強度和/或耐熱性能。一旦噴頭毛胚形成，噴頭和/或噴頭的核心區域可由毛胚形成。例如，噴頭毛胚可被機械加工以形成噴頭和/或核心區域。機械加工可以包括形成穿過噴頭的核心區域的多個開孔，和/或銑削或以其他方式機械加工噴頭和/或核心區域的最終尺寸。在某些實施例中，核心區域可以包括內核心區域和圍繞內核心區域的外周邊設置的外核心區域。內核心區域可以被機械加工或以其他方式形成，而界定多個從中穿過的開孔。外核心區域可以被機械加工和/或以其他方式形成，而界定接收加熱元件的通道。可以使用摩擦攪拌焊接、擴散結合和/或電子束焊接來耦合內核心區域和外核心區域。
在操作420中，噴頭和/或核心區域可以塗覆鋁和/或氧化鋁。舉例來說，鋁可以被電鍍到噴頭和/或核心區域上。可以使用原子層沉積將氧化鋁施加到噴頭和/或核心區域。所述的塗層可以幫助防止鋁合金內的金屬元素的微量金屬污染，否則當在處理和/或清潔操作期間暴露於高溫時，這些金屬元素可能會轉移出鋁合金。
在僅形成噴頭的核心區域的實施例中，方法400可以可選地包括在操作425中將噴頭的核心區域的周邊邊緣與環形襯墊結合。環形襯墊可以具有比噴頭的核心區域更低的熱傳導率，這可以幫助環形襯墊對熱敏部件（例如 O 形環）進行熱屏蔽，使其免受噴頭高溫的影響。可以使用固態結合技術（例如摩擦攪拌焊接）將噴頭的核心區域的周邊邊緣與環形襯墊結合。在某些實施例中，將噴頭的核心區域的周邊邊緣與環形襯墊結合可以包括在核心區域的周邊邊緣和環形襯墊之間耦合中間材料。可以使用固態結合技術（例如摩擦攪拌焊接）將中間材料與核心區域和/或環形襯墊結合。中間材料的熱膨脹係數可以介於核心區域的熱膨脹係數和環形襯墊的熱膨脹係數之間。這可以使得能夠主要基於熱傳導率的考慮來選擇鋁合金和環形襯墊的材料，並且透過中間材料橋接核心區域和環形襯墊的熱膨脹係數之間的間隙。
在前文的描述中，為了解釋的目的，已經闡述了許多細節以便提供對本技術的各種實施例的理解。然而，對於本領域中具有通常知識者而言顯而易見的是，某些實施例可以在沒有某些細節的情況下或具有額外細節的情況下實施。
在已經揭露了數個實施例的情況下，本領域中具有通常知識者應當理解在不背離實施例的精神的情況下，可以使用各種改良、替代構造和等效物。此外，為了避免不必要地混淆本技術，沒有描述許多眾所周知的製程和元件。因此，以上描述不應被視為本技術的範圍的限制。
在提供數值範圍的情況下，應當理解的是對於每個介於中間的值，到下限單位的最小分數而言，除非上下文另有明確說明，否則在該上限和下限之間的範圍也被具體揭露。也涵蓋了如下的任何較窄範圍：介於陳述的範圍中的任何陳述值或未陳述的居中值以及該陳述的範圍中的任何其他陳述的或居中值之間。這些較小範圍的上限和下限可以獨立地包括或排除在該範圍內，且每個範圍中的其中一個限值，兩個限值都包含或都不包含在較小範圍內的每個範圍也包括在該技術內，但受制於該陳述的範圍中任何特定排除的限值。當該陳述的範圍包括一個或兩個限值時，排除其中一個或兩個限值的範圍也包括在內。
如本文和所附請求項中使用的，單數形式「一」、「該」包括了複數的引用，除非上下文另有明確規定。因此，舉例來說，對「加熱器」（或一加熱器）的引用包括複數個這樣的加熱器，並且對「該突部」的引用包括對本領域中具有通常知識者已知的一個或多個突部及其等同物的引用，以此類推。
此外，當詞語「包含」、「含有」和「包括」在本說明書和下文的請求項中被使用時，旨在說明所述特徵、整數、部件或操作的存在，但它們不排除一個或多個其他特徵、整數、部件、操作、動作或群組的存在或添加。
100:處理系統 102:前開式晶圓傳送盒 104:機械臂 106:低壓保持區域 108a-f:基板處理腔室 109a-c:串聯區段 110:第二機械臂 200:電漿系統 201:內側壁/側壁 202:腔室主體 203:電源箱 204:腔室蓋/蓋 206:遮蔽環 208:前驅物分配系統/氣體分配系統 212:側壁 216:底璧 218:氣體輸送組件 220A,220B:處理區域 222:通道 224:通道 225:外周泵送腔 226:主幹 227:襯墊組件 228:基座 229:基板 230:桿 231:排氣口 232:加熱元件 233:凸緣 235:周環 238:底座組件 240:前驅物入口通道 244:阻擋板 246:面板 247:冷卻通道 248:氣體箱 258:介電隔離器 260:基板移送端口 261:基板抬升銷 264:泵送系統 265:射頻源 300:噴頭 305:第一表面 310:第二表面 320:開孔 325:核心區域 330:內核心區域 333:階部 335:外核心區域 337:內部部分 339:內部區段 340:環形通道 341:外部區段 345:加熱元件 350:環形襯墊 355:O形環 300a:噴頭 325a:核心區域 330a:內核心區段 335a:外核心區段/外核心區域 345a:加熱元件 350a:環形襯墊 360a:中間材料 400:方法 405,410,415,420,425:操作
可以透過參考說明書的其餘部分和圖式，來實現對本揭露技術的性質和優點的進一步理解。
圖1顯示了根據本技術的某些實施例的示例性處理系統的俯視平面圖。
圖2顯示了根據本技術的某些實施例的示例性電漿系統的剖面示意圖。
圖3顯示了根據本技術的某些實施例的示例性噴頭的局部剖面示意圖。
圖3A顯示了根據本技術的某些實施例的示例性噴頭的局部剖面示意圖。
圖4顯示了根據本技術的某些實施例之製造半導體處理腔室噴頭的示例性方法的操作。
若干圖式作為示意圖被包含於此。應當理解的是，這些圖式是為了說明的目的，並且除非特別說明其是按比例繪示，這些圖式不應被認為是等比例。此外，作為示意圖，提供這些圖式是為了幫助理解，可能不包括與實際表示相比的所有態樣或資訊，並且可能包括用於說明目的的誇大材料。
在附圖中，相似的部件和/或特徵可以具有相同的元件符號。此外，可以透過在元件符號後加上區分相似部件的字母來區分相同類型的各種部件。如果說明書中只使用了第一個元件符號，則該說明適用於任何一個具有相同第一個元件符號的類似部件，而與字母無關。
國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無 國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無
300:噴頭
305:第一表面
310:第二表面
320:開孔
325:核心區域
330:內核心區域
333:階部
335:外核心區域
337:內部部分
339:內部區段
340:環形通道
341:外部區段
345:加熱元件
350:環形襯墊
355:O形環

Claims (20)

  1. 一種半導體處理腔室噴頭，包括： 一內核心區域，該內核心區域界定複數個開孔； 一外核心區域，圍繞該內核心區域的一外周邊設置，該外核心區域界定一環形通道； 一加熱元件，設置於該環形通道中；及 一環形襯墊，圍繞該外核心區域的一外周邊設置，其中： 該內核心區域及該外核心區域包括一鋁合金；以及 該環形襯墊包括比該鋁合金低的熱傳導率。
  2. 如請求項1所述之半導體處理腔室噴頭，其中： 該環形襯墊的熱傳導率低於該鋁合金的熱傳導率的大約20%。
  3. 如請求項1所述之半導體處理腔室噴頭，其中： 該環形襯墊的熱膨脹係數在該鋁合金的熱膨脹係數的大約50%以內。
  4. 如請求項1所述之半導體處理腔室噴頭，其中： 該環形襯墊包括不鏽鋼與鈦中的一者或兩者。
  5. 如請求項1所述之半導體處理腔室噴頭，其中： 使用固態結合技術結合該環形襯墊及該外核心區域。
  6. 如請求項1所述之半導體處理腔室噴頭，其中： 該鋁合金包括大致均質的微結構。
  7. 如請求項1所述之半導體處理腔室噴頭，進一步包括： 一中間材料，設置在該外核心區域與該環形襯墊之間，其中該中間材料具有介於該鋁合金的熱膨脹係數與該環形襯墊的熱膨脹係數之間的熱膨脹係數。
  8. 一種製造半導體處理腔室噴頭的方法，包括： 形成一熔化的鋁合金組成物； 以至少10 3K/秒的速率冷卻該熔化的鋁合金組成物，以形成多個固體（solid）鋁合金粒子； 從該等固體鋁合金粒子形成一噴頭；以及 用鋁或氧化鋁的其中之一塗覆該噴頭。
  9. 如請求項8所述之製造半導體處理腔室噴頭的方法，其中： 塗覆該噴頭包括將鋁電鍍至該噴頭上。
  10. 如請求項8所述之製造半導體處理腔室噴頭的方法，其中： 塗覆該噴頭包括透過原子層沉積將氧化鋁施加至該噴頭上。
  11. 如請求項8所述之製造半導體處理腔室噴頭的方法，其中： 形成該噴頭包括： 壓實該等固體鋁合金粒子； 從壓實的該等固體鋁合金粒子形成一噴頭毛胚；以及 機械加工該噴頭毛胚以形成該噴頭。
  12. 如請求項11所述之製造半導體處理腔室噴頭的方法，其中： 形成該噴頭進一步包括在形成該噴頭毛胚之前將壓實的該等固體鋁合金粒子鍛壓或擠壓。
  13. 如請求項8所述之製造半導體處理腔室噴頭的方法，其中： 該噴頭的一鋁合金部分包括小於大約10微歐厘米（microohm cm）的電阻率。
  14. 如請求項8所述之製造半導體處理腔室噴頭的方法，其中： 該噴頭的的一鋁合金部分包括至少大約為100W/mK的熱傳導率。
  15. 如請求項8所述之製造半導體處理腔室噴頭的方法，其中： 冷卻該熔化的鋁合金組成物包括從一群組中選擇的一者或多者，該群組包括：急速冷凍（flash freezing）、淬火（quenching）及粉末原子化。
  16. 一種製造半導體處理腔室噴頭的方法，包括： 形成一熔化的鋁合金組成物； 以至少10 3K/秒的速率冷卻該熔化的鋁合金組成物，以形成多個固體鋁合金粒子； 從該等固體鋁合金粒子形成一噴頭的一核心區域； 用鋁或氧化鋁的其中之一塗覆該噴頭的該核心區域；以及 將一環形襯墊與該噴頭的該核心區域的一周邊邊緣結合，其中該環形襯墊包括比該噴頭的該核心區域更低的熱傳導率。
  17. 如請求項16所述之製造半導體處理腔室噴頭的方法，其中： 該噴頭的該核心區域包括一內核心區域以及圍繞該內核心區域的一外周邊設置的一外核心區域； 該內核心區域界定複數個開孔；以及 該外核心區域界定接收一加熱元件的一通道。
  18. 如請求項17所述之製造半導體處理腔室噴頭的方法，進一步包括： 透過使用摩擦攪拌焊接（friction stir weld）或電子束焊接的其中一者或兩者耦合該內核心區域及該外核心區域。
  19. 如請求項16所述之製造半導體處理腔室噴頭的方法，其中： 將該環形襯墊與該噴頭的該核心區域的該周邊邊緣結合包括使用一固態結合技術。
  20. 如請求項16所述之製造半導體處理腔室噴頭的方法，其中： 將該環形襯墊與該噴頭的該核心區域的該周邊邊緣結合包括將一中間材料耦合於該核心區域的該周邊邊緣與該環形襯墊之間；以及 該中間材料具有介於該核心區域的熱膨脹係數以及該環形襯墊的熱膨脹係數之間的熱膨脹係數。
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