静电吸盘的实现设计

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。

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：

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：

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 ：，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。

图3