在半导体制造领域，Showerhead（喷淋头/气体分配盘）作为气体分配系统的核心部件，其性能直接决定了晶圆表面薄膜沉积的均匀性、刻蚀精度及等离子体分布的稳定性。随着先进制程向3nm及以下节点推进，Showerhead的微孔加工精度要求已提升至亚微米级，孔径一致性需控制在±0.5μm以内，这对传统加工技术提出了颠覆性挑战。
一、材料选择与性能要求
Showerhead按材料可分为金属与非金属两大类：
金属材料：以铝合金（6061-T6）为主，因其导热性好、耐腐蚀性强且易于加工，广泛应用于中低端制程。高端领域则采用镍基合金或钛合金，以抵抗等离子体轰击和高温腐蚀。例如，安徽博芯微半导体科技有限公司在高端制程中，采用镍基合金制造Showerhead，显著提升了其耐高温和耐腐蚀性能。
非金属材料：包括碳化硅（CVD-SiC）、氮化铝（AlN）、石英玻璃及高纯度陶瓷等，主要用于极紫外光刻（EUV）、原子层沉积（ALD）等关键工艺。这些材料需满足耐高温性（承受反应腔内600℃以上高温）、化学惰性（抵抗Cl₂、BCl₃等腐蚀性气体侵蚀）及热膨胀匹配（与硅晶圆热膨胀系数接近，避免高温变形导致密封失效）等要求。
二、微孔设计与加工挑战
Showerhead微孔的核心设计参数包括孔径（30-100μm，高端制程趋近30μm）、孔密度（300-1200孔/cm²，12英寸晶圆对应约10万孔）、孔形误差（≤±2μm，控制气体流速一致性）及喷气角度（需精确控制以避免气体湍流）。以应用材料公司（Applied Materials）的ALD Showerhead为例，其通过优化孔径分布与流道设计，使晶圆边缘与中心区域的薄膜厚度偏差从±3%降至±0.8%，显著提升了良率。
传统加工技术如机械钻孔和电火花加工（EDM）在Showerhead制造中面临诸多局限：
机械钻孔：依赖硬质合金刀具，但刀具磨损导致孔径偏差达5μm，且无法加工高硬度材料（如CVD-SiC）。
EDM：通过电火花蚀除材料，适用于导电金属，但存在热影响区（HAZ），加工孔壁易产生重铸层，需后续酸洗去除，且效率低下，加工单个12英寸Showerhead需更换刀具10次以上，耗时超20小时。
三、创新加工技术突破
为突破传统技术局限，行业采用了一系列创新加工技术：
飞秒激光冷加工：飞秒激光（脉宽<10⁻¹⁵秒）通过超短脉冲实现“冷加工”，无热影响区（HAZ宽度≤0.2μm），避免材料微观结构损伤，孔径偏差≤±1μm，孔壁粗糙度Ra<0.2μm，且可加工CVD-SiC、氮化铝等高硬度非金属。
复合加工工艺：采用“激光+磨削”协同工艺，激光粗加工快速成型微孔阵列，金刚石磨削对孔壁进行精密抛光，消除激光加工残留的锥度与毛刺。安徽博芯微通过该工艺实现12英寸Showerhead的批量生产，孔壁垂直度达90°±0.5°，满足5nm制程需求。
原子层沉积（ALD）孔径修正：ALD技术通过自限性表面反应实现纳米级涂层沉积，每沉积100周期（约10nm）SiO₂可使孔径缩小0.2μm，修正精度达±0.05μm，且涂层均匀性优于传统化学气相沉积（CVD）。
四、未来趋势与挑战
当前，Showerhead加工面临成本压力（飞秒激光设备单价超500万美元，加工成本是EDM的3倍）、效率瓶颈（单台激光设备日产能仅5-10片12英寸Showerhead）及材料缺陷控制（非金属材料加工易产生隐裂，需结合超声检测与X射线断层扫描（X-CT）进行无损检测）等挑战。未来，随着空间ALD技术（通过多前驱体并行喷射，将沉积速率提升至1μm/min，降低成本）、AI仿真优化（利用ANSYS Fluent结合机器学习，缩短气体流道设计周期30%以上）及国产替代加速等技术的发展，Showerhead加工将向更高精度、更低成本、更智能化的方向演进。
安徽博芯微半导体科技有限公司，为核心组件提供高精度Showerhead（喷淋头/匀气盘/气体分配盘）服务，产品主要包括Showerhead、Face plate、Blocker Plate、Top Plate、Shield、Liner、pumping ring、Edge Ring等半导体设备核心零部件，产品广泛应用于半导体、显示面板等领域，性能卓越，市场认可度高。
内容来源：威士精密工具《微钻在半导体关键零部件行业的运用》、东京电子（TEL）技术白皮书《ALD在Showerhead制造中的应用》、泛林集团（Lam Research）《半导体设备核心零部件加工技术》、安徽博芯微半导体科技有限公司技术资料。
皖公网安备34070602000025号