半导体零部件(3)-静电吸盘

静电吸盘，又称静电卡盘（ESC, E—Chuck），是一种使用静电吸附原理加持牢靠被吸附物的夹具，适用于真空和等离子体情形，主要作用是用于吸附超清洁薄片(如硅片)，并使吸附物坚持较好的平展度，可以抑制吸附物在工艺中的变形，并能够调理吸附物的温度。

硅片夹持方法：

1、机械夹持：在早期的硅片加工中，习惯于接纳古板机械行业中机械夹持要领，即接纳机械活动的夹钳来夹持硅片，但夹钳会对硅片的边沿处造成损伤，同时很容易使硅片翘曲，对其加工精度有很大影响，以是在现在很少使用机械夹持的要领。

2、石蜡粘结要领：通常是先将硅片牢靠在夹具的特点位置上，之后通过加热熔化粘结剂后将粘结剂渗入到硅片与夹具之间，从而举行牢靠。为了包管粘结剂的可靠性及硅片的牢靠精度，需要在之前对粘结剂举行熔化过滤以扫除杂质 。在整个夹持历程需要对石蜡举行加热、粘结、剥离及清洁，效率很低，同时粘结剂会对硅片的清洁度造成较大影响，并且很难包管石蜡粘结层的匀称性并包管无气泡。

3、真空吸盘：真空吸盘的事情结构主要分两个部分，中心的部分是多孔陶瓷，而边沿部分是密封环。事情时使用多孔陶瓷上小孔将硅片与陶瓷外貌之间的空气抽出，使硅片与陶瓷外貌实现低压，硅片由于空气压力被吸附在吸盘外貌，从而牢靠硅片。比及加工竣事后，内部的等离子水会从陶瓷外貌孔内流出，等离子水可以避免硅片粘附在陶瓷外貌，同时还可以对硅片及陶瓷外貌举行洗濯，比及洗濯完毕后再将吸盘烘干继续对下一片硅片举行夹持事情。真空吸盘主要有两个弱点：一是当硅片被真空吸盘吸附在吸盘外貌时，硅片会由于空气压力导致局部变形，加工竣事后硅片会爆发反弹，导致其切割好的外貌泛起波纹状，同时外貌平整度下降。并且在加工中可能会有细小颗粒被吸入硅片与吸盘之间，使硅片局部变形影响加工精度。二是如硅片需要在真空情形下举行加工时，真空吸盘在真空情形下则完全无法事情。

4、静电吸盘：通过静电吸附作用来牢靠晶圆，其优点在于吸附作用匀称漫衍于晶圆外貌，晶圆不会爆发翘曲变形，吸附作用力一连稳固，可控温度，可以包管晶圆的加工精度；静电吸盘对晶圆污染小，对晶圆无伤，可以应用于高真空情形中。半导体制造工艺中晶圆加工历程有多道工序，每一道工序都需要包管晶圆的平稳牢靠，静电吸盘已经成为应用最普遍的晶圆夹持工具，是刻蚀、薄膜沉积、离子注入等装备的焦点部件。

静电吸盘原理及分类：

当对绝缘介质的上下两个极板之间外加电压 U，则在南北极板之间会爆发使其相互吸引的静电场力 F:

其中ε为绝缘介质介电常数，A 为绝缘介质外貌积（即电极面积），U 为两电极间外加电压差，d 为绝缘介质厚度（即极板间距）。图1所示即为简朴的附模子。

图1：静电吸附原理示意图

典范的静电吸盘吸附作用系统一样平常是类三明治结构，其中上下两层作为电极，中心的一层为电介质层。而在现实简朴的应用中，硅片将作为上端电极，下端电极和电介质层被整体制造在一个器件中，即称为静电吸盘。在夹持硅片的历程中，直流电压加持在电极上，形成电极与硅片之间的电极差，硅片则通过静电吸附力被夹持在静电吸盘上。别的，硅片加工历程中爆发的热量可通过两种方法散失：一种是通过背部的导热系统散热；另一种是通过硅片外貌的传热气体（一样平常为氦气）导出。

图2：静电吸盘结构示意图

一样平常来说静电吸盘的吸附力有两种模子库仑力模子、J-R 力模子：

库仑力模子中，电介质层质料具有绝对绝缘性，其内没有可自由移动的电子，只能爆发极化电荷，云云在两个电极间就形成了标准的静电吸引力。在库仑力模子中，以为电介质层上外貌与硅片层下外貌皆为理想平面，两理想平面接触时中心形成一层厚度为 g 的空气层。关于库仑力模子中吸附力的盘算可由连系模子推导获得公式：

其中 V 为加持在电极处的外加电压， ?? 0 为真空绝对介电常数（8.85×10^-12·F ? ??），d 为电介质层厚度，而 g 为硅片下外貌与电介质层上外貌间的空气层厚度, Kg 、Kd 划分为厚度为 g 与 d 处的相对介电常数？饴亓驳缥痰囊桓鎏氐闶俏搅β衍匀称。在库仑力静电吸盘中 d 通常取值在 100-200μm，而空气层厚度 g 远小于电介质层厚度 d，且Kg = 1，因此可简化为：

其中Kr为电介质层相对介电常数。

J-R 力模子中，电介质层不是理想的绝缘介质，即在电介质层中有许多可以自由移动的粒子（电介质层具有有限电阻）。而电介质层与硅片的接触面不是理想平面，两平面的粗糙度不可忽略，因此在接触外貌形成了许多细小的空腔。电极加压后，电介质层内的可移动粒子受到电极作用使带负电粒子迁徙群集在电介质层下外貌而带正电粒子群集在电介质层上外貌，电介质层的体电阻越；外加电压一连时间越长，则内部带电粒子移动速率越快。这样就在接触面上的非接触小朴陋内形成了微型电场，由这无数的微型电场爆发的电场力就组成了 J-R 吸附力。

库仑力由于较小不可知足硅片夹持系统的所有要求，而 J-R 力则要远大于库仑力，因而工业应用中的静电吸盘，其吸附力主要以 J-R 力为主，所用的静电吸盘也往往是 J-R 吸盘。

图3：库仑力模子静电吸盘

图4：J-R力模子静电吸盘

从质料来看，静电吸盘主要是以氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷作为主体质料，陶瓷质料具有优异的导热性，耐磨性及高硬度，且比照金属质料在电绝缘性方面有先天优势。静电吸盘由于其功效的特殊性，要求其制造质料差别于导体质料与绝缘体质料，而是属于半导体质料（体电阻率在 10^-3 ~10^10 Ω·cm），以是静电吸盘也并不是纯氧化铝或纯氮化铝质料制造，而是在其中加入了其他导电物质使得其总体电阻率知足功效性要求。

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