随着半导体及集成电路制程设备和制程工艺的发展,传统的以有机高分子材料和阳极氧化层为电介质的静电卡盘逐步被陶瓷静电卡盘逐渐替代,陶瓷静电卡盘拥有良好的导热耐卤素等离子气氛的性能,广泛应用于半导体及集成电路核心制程制作中,在高真空等离子体或特气环境中起到对晶圆的夹持和温度控制等作用,是离子注入、刻蚀等关键制程核心零部件之一。

陶瓷静电卡盘成半导体晶圆用静电夹盘主流

TOTO 静电卡盘ESC
 
一、为何需要陶瓷静电卡盘
 

晶片处理过程中,之所以需要把晶片牢牢地吸到吸盘表面,主要是增加晶片与吸盘之间的传热。此外,晶片背面与吸盘表面之间的氦气是传热的重要媒介。

二、何为陶瓷静电卡盘
陶瓷静电卡盘专用陶瓷材料由混凝陶瓷烧结技术制备而成,这是一种独特的陶瓷制备工艺,通过革新烧结技术和烧结设备,可在较低的烧结温度下实现纳米级陶瓷粉体快速致密化,制备出致密性高、晶体结构稳定、体电阻率分布均匀且符合静电卡盘使用特性的专用陶瓷材料。
通常所说的陶静电卡盘按照主体材料材质划分,可分为氧化铝和氮化铝(一般应用于静电吸盘加热器)两大类;按照陶瓷静电卡盘力学模型来划分,可分为库伦(电介质)和迥斯热背(J-R)两大类。

陶瓷静电卡盘成半导体晶圆用静电夹盘主流

库仑类ESC

陶瓷静电卡盘成半导体晶圆用静电夹盘主流

迥斯热背ESC
三、氧化铝、氮化铝占陶瓷静电卡盘主体
其中电介质类静电卡盘的材料可以由纯氧化铝、氮化铝、氧化硅等;迥斯热背类静电卡盘的材料可以由氧化铝、氮化铝、氧化硅等材料掺杂适量的金属粉末混凝烧结而成。应用较多的为氧化铝、氮化铝陶瓷静电卡盘。
1、氧化铝静电卡盘

陶瓷静电卡盘成半导体晶圆用静电夹盘主流

NTK氧化铝静电卡盘
 

氧化铝静电卡盘采用层压技术实现极高的面内温度均一性,通过使用高纯度的氧化铝可以降低金属污染,在卤素气体等离子体环境下发挥出出色的耐久性。有的氧化铝静电卡盘使用特有等离子纳米喷涂工艺制造的静电卡盘,可以形成致密的电介质绝缘层,相对于共烧及层压工艺生产的静电吸盘,价格上拥有很大的优势,耐温性能及使用寿命又比薄膜电介质更高。

 
2、氮化铝静电卡盘

陶瓷静电卡盘成半导体晶圆用静电夹盘主流

NTK氮化铝静电卡盘/加热器

通过控制AIN的体积电阻率,可以获得大范围的温度域和充分的吸附力。通过自由度高的加热器设计可以实现良好的温度均匀性。因使AIN和电极完成一体化熔结,不会出现因电极的劣化造成的历时变化。也可以应对采用接合技术的陶瓷中空结构和陶瓷轴安装。

氮化铝[AlN]静电卡盘/加热器[Heater]是以最高的质量标准和先进的工艺设计制造,以承受半导体及微电子最苛刻的制程环境,旨在提供稳定的吸附力和温度控制。

一般来说,迥斯热背类吸盘的吸力比库仑类的大。在对晶片温度控制要求很高的蚀刻机中,越来越多地采用迥斯热背类吸盘,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。

在吸盘中,除了直流电极外,还有射频电极。射频电极用来提供晶片处理过程中需要的射频偏置功率。有些使用的时候,ESC与电极通过一个滤波器相连接。

当前,陶瓷静电卡盘市场被国外厂商占据,主要有Kyocera、NTK、SHINKO、TOTO、CreativeTechnology、FMIndustries等。近年来,受到半导体行业的快速发展,国内陶瓷静电卡盘行业也逐步放量。

文章来源:广东海拓、公开资料

 

原文始发于微信公众号(艾邦陶瓷展):陶瓷静电卡盘成半导体晶圆用静电夹盘主流

作者 li, meiyong