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静电吸盘的实现设计

中科院半导体所 来源:芯云知 2024-10-18 14:43 次阅读

文章来源:芯云知

原文作者:Crane

在刻蚀机中,如果晶圆不能在托盘上平整放置,则会造成刻蚀离子的轰击产生角度,同时,刻蚀时晶圆的散热情况也会严重影响刻蚀速率。为了解决这些问题,工程师们开发了静电吸盘(Electrostatic Chuck),极大地提高了刻蚀质量和稳定性。通过总结,静电吸盘的实现可以分为以下三个设计。

设计1:静电吸盘的结构

常规静电吸盘的实物图可以如图1左所示,区别在于静电吸盘表面的绝缘层材料不同,深色为氮化铝,白色为氧化铝,静电吸盘的结构可以参考图1右,分为以下部分:

绝缘层:用于与晶圆的接触,通常为氮化铝或者氧化铝陶瓷,因为其具有良好的机械强度、耐高温性和导热性。

顶针及He气孔:顶针用于晶圆的传送,当晶圆进入刻蚀腔中时,顶针升起承接晶圆,然后顶针落下,将晶圆置于静电吸盘表面。并且,顶针通常为中空结构,同时通入He气来使晶圆降温。

背He流道:用于增强散热,以及反馈晶圆的吸附情况。

静电电极:用于产生静电力的电场,吸附晶圆。电极通常为平面状,嵌入或沉积在绝缘材料中。常用材料包括铝、铜和钨等导电性良好的金属。

循环冷却水和加热电极:主要用于静电吸盘整体的温度控制,加热电极和循环冷却水的同时作用,使晶圆可以保持在一个稳定的温度。如果采用单一的冷却循环水,则刻蚀过程中产生的热量无法计算,影响工艺的稳定性。

wKgZomcSA6iARoJXAACF6QHWBBE911.jpg

图1

设计2:利用直流电压产生电场使晶圆电荷极化,吸附晶圆

静电吸盘的电极设计可以分为两种(如图2所示),一是单电极,即整个铺满于静电吸盘,二是双电极,正电压和负电压形成的电场来吸附晶圆,想比单电极,双电极具有更高的吸附力,以及更均匀的电场强度,使晶圆紧密且均匀的吸附。那么电极是如何吸附晶圆的,其原理可以参考如下:

wKgZoWcSA7SAdOGXAADINl5C-Y8064.jpg

图2

当直流电源施加电压于静电吸盘的电极时,电极之间形成电场。这个电场在绝缘层和陶瓷吸附表面之间传播,并延伸到晶圆背面。电场会导致晶圆表面的电荷重新分布或极化,如果是掺杂的硅晶圆,自由电荷在电场的作用下移动,正电荷向负极移动,负电荷向正极移动,如果是未掺杂的或者绝缘晶圆,电场引起分子内电荷的微小位移,形成电偶极子。最终,在静电力的作用下,将晶圆牢固的吸附在吸盘上,静电吸附力的大小可以通过库仑定律和电场强度来近似计算。假设晶圆和吸盘间的电场是均匀的,静电力 F可以表示为:

wKgaoWcSA7-AbepgAAAJ7Vjui3U100.jpg

其中, ϵ0是真空电容率(8.85×10-12 F/m),ϵr 是介电常数取决于绝缘层材料,E 是电场强度,等于施加电压V除以绝缘层厚度d :wKgaoWcSA82AcF8pAAAFZHRyDq0751.jpg,A是电极的有效面积。

设计3:使用He气作为背冷气体,并通过稳定气压下He气的流量反应晶圆的散热情况

1. 为什么选择He气而不是其他气体?

高导热性:氦气具有非常高的热导率,约为156.7 mW/m·K(在室温下),远高于大多数其他气体(如氮气和空气)。高导热性使得氦气能够迅速传递热量,确保晶圆在加工过程中温度的快速均匀分布,从而有效地控制晶圆的温度。

惰性气体特性:氦气是一种惰性气体,不会与其他物质发生化学反应。使用氦气作为冷却气体,不会引起晶圆材料或工艺过程中其他材料的化学反应,避免了可能的污染和反应副产物。

小分子尺寸:氦气的分子直径非常小,使其能够轻易地通过微小的通道和间隙。这有助于氦气均匀地分布在晶圆和吸盘之间的微通道中,确保整个晶圆背面的冷却效果。

低粘度:氦气具有较低的粘度,意味着它能够以较高的流速通过微通道系统,进一步提高热传导效率。低粘度还减少了气体流动的阻力,使冷却系统运行更加高效。

安全性:氦气是一种无毒、无色、无味的气体,具有很高的安全性。即使在高温或真空环境中,氦气的使用也不会对操作人员或设备产生危害。

均匀冷却:氦气能够在晶圆背面形成均匀的气体层,提供均匀的冷却效果,避免了局部热点。

低粘度和高流动性:氦气的低粘度和高流动性使其能够快速响应温度变化,提供稳定的温度控制。

2. 如何反应晶圆的散热情况?

He气在静电吸盘和晶圆背面的流通可以分为两个部分(如图3),一部分通过静电吸盘表面层下的微流道流动(不直接接触晶圆)且循环流通,用于增强散热和控制ESC的气压,第二部分通过顶针孔或者静电吸盘表面的孔流动至晶圆背面,用于晶圆的散热以及晶圆吸附情况的反馈。通过二者的共同作用,最终实现在气压一定的条件下通入He气,如果He气流量稳定,则说明晶圆的吸附情况良好,如果He流量远高于正常值,则说明晶圆背面的透气孔有明显的泄露,对应晶圆未平整吸附与吸盘表面,进一步影响刻蚀。

wKgaoWcSA-CAG4mbAAB1L3Cnz94649.jpg

图3

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原文标题:一文读懂静电吸盘(Electrostatic Chuck, ESC)

文章出处:【微信号:bdtdsj,微信公众号:中科院半导体所】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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