在半导体制造的微观世界里，Showerhead（喷淋头/气体分配盘）宛如一位精准的气体指挥家，通过其表面数以万计的微孔阵列，将反应气体均匀地喷射到晶圆表面，直接影响着薄膜沉积的均匀性、刻蚀精度以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，也催生了一系列创新加工技术的涌现。
材料选择：性能与工艺的双重考量
Showerhead按材料可分为金属与非金属两大类。金属材料中，铝合金（6061 - T6）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。而在高端领域，镍基合金或钛合金则成为选择，它们能够抵抗等离子体轰击和高温腐蚀，为半导体制造提供可靠的保障。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，满足了先进制程的严苛要求。
非金属材料在Showerhead制造中也占据着重要地位。碳化硅（CVD - SiC）、氮化铝（AlN）、石英玻璃及高纯度陶瓷等材料，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。以CVD - SiC为例，其具有极高的硬度和优异的耐高温性能，能够在极端环境下保持稳定的性能，为半导体制造提供了可靠的支持。
传统加工技术的局限与挑战
在Showerhead的制造历程中，传统加工技术如机械钻孔和电火花加工（EDM）曾占据主导地位。然而，随着制程节点的不断推进，这些技术逐渐暴露出诸多局限。
机械钻孔依赖硬质合金刀具，但刀具磨损会导致孔径偏差达5μm，且无法加工高硬度材料（如CVD - SiC）。在加工过程中，刀具与材料的摩擦会产生大量的热量，导致刀具磨损加剧，从而影响加工精度。此外，对于高硬度材料，机械钻孔的效率极低，甚至无法完成加工任务。
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。而且，EDM的效率低下，加工单个12英寸Showerhead需更换刀具10次以上，耗时超20小时。在长时间加工过程中，热影响区会导致材料微观结构发生变化，影响Showerhead的性能和可靠性。
创新加工技术的突破与应用
为了突破传统技术的局限，行业采用了一系列创新加工技术，为Showerhead的制造带来了新的突破。
飞秒激光冷加工技术凭借其超短脉冲和超高峰值功率，实现了“冷加工”效果，无热影响区（HAZ宽度≤0.2μm），避免了材料微观结构损伤。该技术孔径偏差≤±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。例如，在3nm制程使用设备的部分Showerhead采用了飞秒激光钻孔技术，能够精确地在钼基材料上加工出微小孔径，同时保持极高的孔壁光滑度（Ra < 0.3μm），为半导体制造提供了更高精度的气体分配解决方案。
复合加工工艺则采用“激光 + 磨削”协同工艺，先通过激光粗加工快速成型微孔阵列，再利用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，为半导体产业的高端化发展提供了有力支持。
原子层沉积（ALD）孔径修正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）。在EUV光刻掩模版制造中，东京电子采用该技术将Showerhead喷孔直径CV值从±3%降至±0.5%，显著提升光刻胶曝光均匀性，为半导体制造的精度提升提供了关键保障。
未来趋势与展望
当前，Showerhead加工面临着成本压力（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。然而，随着技术的不断进步，未来Showerhead加工将迎来新的发展机遇。
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，有望降低成本，提高生产效率。AI仿真优化利用ANSYS Fluent结合机器学习，可缩短气体流道设计周期30%以上，加速产品的研发和迭代。国产替代加速方面，国内企业如威士精密工具、盾源聚芯等已实现PCD微钻、飞秒激光设备的自主化，推动产业链国产化率从15%提升至40%，为半导体产业的自主可控发展提供了有力支撑。
Showerhead生产加工技术是半导体制造中“小孔大技术”的典型代表，其精度直接决定先进制程的良率与成本。随着飞秒激光、复合加工及ALD修正等技术的突破，行业正逐步攻克亚微米级加工难题。未来，随着材料科学、智能制造与AI技术的深度融合，Showerhead加工将向更高精度、更低成本、更智能化的方向演进，为半导体产业持续创新提供关键支撑。
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官网资料。
皖公网安备34070602000025号