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Electrostatic Chuck(ESC 静电吸盘)--半导体Critical parts介绍
发布日期:2024-03-12

      静电吸盘--又称静电卡盘,是半导体工艺中的硅片夹持工具,被广泛用于PVD、CVD、ETCH等制程部门。在一些制程的process过程中需要固定wafer,并且维持wafer 背面压力的恒定。

     早期使用机械夹持的方式,但是传统的用爪子固定的方法不仅很可能会划伤晶圆,对特定部位施加强力可能会导致wafer碎裂,并且存在 wafer edge 不均一,chucking/dechucking 时机械运动引起particle 等问题。另外,如果采用真空吸附,则无法采用像吸盘那样减压吸附的方法。

      为了解决这些缺点,发明了使用静电吸附的方式,ESC- Electrostatic Chuck。ESC 利用电容两带电极板的库伦引力来固定wafer,这样wafer topside 无接触的chuck方式解决了机械卡盘和真空吸附的各种问题。

      其优点:1.Wafer 表面无机械夹持;2. 可以调节wafer 的温度,改善均一性;3. 可以减少 wafer edge exclusion。

 

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图源:小叮当

基本原理:

      静电吸盘吸引力一般涉及三种吸附原理(库仑力、约翰逊-拉贝克力,梯度力)但在实际生产过程中并不总是只有一种力在起作用,而是多种力结合起来产生吸引物体的力。

      ESC 主要利用电容两电极板的库伦吸引原理制成,表面涂有绝缘层的ESC的主体部分为电容一侧电极, wafer 为电容的另一侧电极。库伦引力要大于wafer 背面用来降温的 He Flow 的的压力。    

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图源:Tom聊芯片智造


ESC种类:Unipolar Type(单极型静电吸盘)& Bipolar Type(双极型静电吸盘


        一、单极型静电吸盘:wafer从plasma中获取电荷,电极通电产生异向电荷,从而产生吸附。

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单极型静电吸盘

        



        Chucking force:

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F: 两电极间的库伦引力;

ε: 绝缘层的介电常数;

V: 两电极附加的电压;

D: 两极板间的距离

P: 表面电荷密度;

E: 电场强度;

C: 电容量;

Q: 总电荷量。


由公式可以推算出,想增加chucking force, 可以:

1. 增加电压;

2. 减小绝缘层厚度;

3. 使用介电常数高的绝缘材料;

4. 增加wafer size;

但是实际上wafer 的尺寸一般来说是固定的6吋,8吋或者12吋,而且绝缘层的厚度也不能无限减小,所以经常以增大电压和使用介电常数更高的材料来增加chucking force。



        二、双极型静电吸盘,电源正负极均接在电极上,wafer在内部被极化,能够在没有plasma情况下被吸附;

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双极型静电吸盘

         

        Chucking force:

        在双极型下:

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        所以,chucking Force 是单极型的1/4:

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F: 两电极间的库伦引力;

ε: 绝缘层的介电常数;

V: 两电极附加的电压;

D: 两极板间的距离;

P: 表面电荷密度;

E: 电场强度;

C: 电容量;

Q: 总电荷量。



ESC材料: 分为库伦型静电吸盘和迥斯热背型(Johnson-Rahbek)

        库伦型:纯电介质做成的吸盘,吸附力较小,电极需要高电压,约3000~4000V;

        JR型: 掺杂电介质做成的吸盘,略带导体性质。电极上施加电压时,电荷能够集中在表面附近,电极间的距离小,吸附力大,所需的电压较小,约500~800V。

        通常来说,JR型吸盘的吸力比库仑类的大,所以在对wafer温度控制要求很高的Etch机台中,越来越多地采用迥JR型吸盘,其电介质通常是参杂的氮化铝陶瓷材料,氮化铝有很好的导热性。

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 库伦型


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 JR型

ESC结构:

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图源:海拓创新




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