半導(dǎo)體零部件(3)-靜電吸盤

靜電吸盤，又稱靜電卡盤（ESC, E—Chuck），是一種利用靜電吸附原理加持固定被吸附物的夾具，適用于真空和等離子體環(huán)境，主要作用是用于吸附超潔凈薄片(如硅片)，并使吸附物保持較好的平坦度，可以抑制吸附物在工藝中的變形，并能夠調(diào)節(jié)吸附物的溫度。

硅片夾持方式：

1、機(jī)械夾持：在早期的硅片加工中，習(xí)慣于采用傳統(tǒng)機(jī)械行業(yè)中機(jī)械夾持方法，即采用機(jī)械活動的夾鉗來夾持硅片，但夾鉗會對硅片的邊緣處造成損傷，同時很容易使硅片翹曲，對其加工精度有很大影響，所以在現(xiàn)在很少使用機(jī)械夾持的方法。

2、石蠟粘結(jié)方法：通常是先將硅片固定在夾具的特點(diǎn)位置上，之后通過加熱熔化粘結(jié)劑后將粘結(jié)劑滲入到硅片與夾具之間，從而進(jìn)行固定。為了保證粘結(jié)劑的可靠性及硅片的固定精度，需要在之前對粘結(jié)劑進(jìn)行熔化過濾以清除雜質(zhì) 。在整個夾持過程需要對石蠟進(jìn)行加熱、粘結(jié)、剝離及清潔，效率很低，同時粘結(jié)劑會對硅片的清潔度造成較大影響，并且很難保證石蠟粘結(jié)層的均勻性并保證無氣泡。

3、真空吸盤：真空吸盤的工作結(jié)構(gòu)主要分兩個部分，中間的部分是多孔陶瓷，而邊緣部分是密封環(huán)。工作時利用多孔陶瓷上小孔將硅片與陶瓷表面之間的空氣抽出，使硅片與陶瓷表面實(shí)現(xiàn)低壓，硅片由于空氣壓力被吸附在吸盤表面，從而固定硅片。等到加工結(jié)束后，內(nèi)部的等離子水會從陶瓷表面孔內(nèi)流出，等離子水可以防止硅片粘附在陶瓷表面，同時還可以對硅片及陶瓷表面進(jìn)行清洗，等到清洗完畢后再將吸盤烘干繼續(xù)對下一片硅片進(jìn)行夾持工作。真空吸盤主要有兩個缺點(diǎn)：一是當(dāng)硅片被真空吸盤吸附在吸盤表面時，硅片會由于空氣壓力導(dǎo)致局部變形，加工結(jié)束后硅片會發(fā)生反彈，導(dǎo)致其切割好的表面呈現(xiàn)波紋狀，同時表面平整度下降。而且在加工中可能會有微小顆粒被吸入硅片與吸盤之間，使硅片局部變形影響加工精度。二是如硅片需要在真空環(huán)境下進(jìn)行加工時，真空吸盤在真空環(huán)境下則完全無法工作。

4、靜電吸盤：通過靜電吸附作用來固定晶圓，其優(yōu)點(diǎn)在于吸附作用均勻分布于晶圓表面，晶圓不會發(fā)生翹曲變形，吸附作用力持續(xù)穩(wěn)定，可控溫度，可以保證晶圓的加工精度；靜電吸盤對晶圓污染小，對晶圓無傷，可以應(yīng)用于高真空環(huán)境中。半導(dǎo)體制造工藝中晶圓加工過程有多道工序，每一道工序都需要保證晶圓的平穩(wěn)固定，靜電吸盤已經(jīng)成為應(yīng)用最廣泛的晶圓夾持工具，是刻蝕、薄膜沉積、離子注入等設(shè)備的核心部件。

靜電吸盤原理及分類：

當(dāng)對絕緣介質(zhì)的上下兩個極板之間外加電壓 U，則在兩極板之間會產(chǎn)生使其相互吸引的靜電場力 F:

其中ε為絕緣介質(zhì)介電常數(shù)，A 為絕緣介質(zhì)表面積（即電極面積），U 為兩電極間外加電壓差，d 為絕緣介質(zhì)厚度（即極板間距）。圖1所示即為簡單的附模型。

圖1：靜電吸附原理示意圖

典型的靜電吸盤吸附作用系統(tǒng)一般是類三明治結(jié)構(gòu)，其中上下兩層作為電極，中間的一層為電介質(zhì)層。而在實(shí)際簡單的應(yīng)用中，硅片將作為上端電極，下端電極和電介質(zhì)層被整體制造在一個器件中，即稱為靜電吸盤。在夾持硅片的過程中，直流電壓加持在電極上，形成電極與硅片之間的電極差，硅片則通過靜電吸附力被夾持在靜電吸盤上。此外，硅片加工過程中產(chǎn)生的熱量可通過兩種方式散失：一種是通過背部的導(dǎo)熱系統(tǒng)散熱；另一種是通過硅片表面的傳熱氣體（一般為氦氣）導(dǎo)出。

圖2：靜電吸盤結(jié)構(gòu)示意圖

一般來說靜電吸盤的吸附力有兩種模型庫侖力模型、J-R 力模型：

庫侖力模型中，電介質(zhì)層材料具有絕對絕緣性，其內(nèi)沒有可自由移動的電子，只能產(chǎn)生極化電荷，如此在兩個電極間就形成了標(biāo)準(zhǔn)的靜電吸引力。在庫侖力模型中，認(rèn)為電介質(zhì)層上表面與硅片層下表面皆為理想平面，兩理想平面接觸時中間形成一層厚度為 g 的空氣層。對于庫侖力模型中吸附力的計(jì)算可由結(jié)合模型推導(dǎo)得到公式：

其中 V 為加持在電極處的外加電壓， ?? 0 為真空絕對介電常數(shù)（8.85×10^-12·F ? ??），d 為電介質(zhì)層厚度，而 g 為硅片下表面與電介質(zhì)層上表面間的空氣層厚度, Kg 、Kd 分別為厚度為 g 與 d 處的相對介電常數(shù)。庫侖力靜電吸盤的一個特點(diǎn)是吸附力分布均勻。在庫侖力靜電吸盤中 d 通常取值在 100-200μm，而空氣層厚度 g 遠(yuǎn)小于電介質(zhì)層厚度 d，且Kg = 1，因此可簡化為：

其中Kr為電介質(zhì)層相對介電常數(shù)。

J-R 力模型中，電介質(zhì)層不是理想的絕緣介質(zhì)，即在電介質(zhì)層中有許多可以自由移動的粒子（電介質(zhì)層具有有限電阻）。而電介質(zhì)層與硅片的接觸面不是理想平面，兩平面的粗糙度不可忽略，因此在接觸表面形成了許多微小的空腔。電極加壓后，電介質(zhì)層內(nèi)的可移動粒子受到電極作用使帶負(fù)電粒子遷移聚集在電介質(zhì)層下表面而帶正電粒子聚集在電介質(zhì)層上表面，電介質(zhì)層的體電阻越?。煌饧与妷撼掷m(xù)時間越長，則內(nèi)部帶電粒子移動速度越快。這樣就在接觸面上的非接觸小空洞內(nèi)形成了微型電場，由這無數(shù)的微型電場產(chǎn)生的電場力就構(gòu)成了 J-R 吸附力。

庫侖力由于較小不能滿足硅片夾持系統(tǒng)的全部要求，而 J-R 力則要遠(yuǎn)大于庫侖力，因而工業(yè)應(yīng)用中的靜電吸盤，其吸附力主要以 J-R 力為主，所用的靜電吸盤也往往是 J-R 吸盤。

圖3：庫侖力模型靜電吸盤

圖4：J-R力模型靜電吸盤

從材料來看，靜電吸盤主要是以氧化鋁陶瓷或氮化鋁陶瓷作為主體材料，陶瓷材料具有良好的導(dǎo)熱性，耐磨性及高硬度，且對比金屬材料在電絕緣性方面有先天優(yōu)勢。靜電吸盤由于其功能的特殊性，要求其制造材料不同于導(dǎo)體材料與絕緣體材料，而是屬于半導(dǎo)體材料（體電阻率在 10^-3 ~10^10 Ω·cm），所以靜電吸盤也并不是純氧化鋁或純氮化鋁材料制造，而是在其中加入了其他導(dǎo)電物質(zhì)使得其總體電阻率滿足功能性要求。

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