半導(dǎo)體零部件靜電卡盤

在先進(jìn)的大規(guī)模集成電路制造過(guò)程中有著幾百種工藝步驟，圓片需要在多達(dá)幾百種的工藝設(shè)備之間來(lái)回傳輸并進(jìn)行加工檢測(cè)。在加工過(guò)程中，圓片必須被十分平穩(wěn)、固定地安放在工藝設(shè)備上。

靜電吸盤結(jié)構(gòu)及工作原理

傳統(tǒng)的夾持技術(shù)如真空吸盤、機(jī)械夾盤已經(jīng)滿足不了現(xiàn)在工藝技術(shù)的要求。70年代初G.A.Wardly等人率先提出了一種靜電卡盤技術(shù)，該方案作用力分布均勻，圓片不會(huì)翹曲；非直接接觸，污染少。
靜電卡盤，也稱靜電吸盤，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用在等離子和真空環(huán)境下的半導(dǎo)體工藝過(guò)程中，比如刻蝕、化學(xué)氣相沉淀、離子植入等。這種技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于它對(duì)良率的提升、沒(méi)有圓片邊緣排除效應(yīng)、圓片夾持均勻度好、可控溫度等等。一個(gè)典型的靜電吸盤夾持系統(tǒng)是一個(gè)三明治結(jié)構(gòu)包括三部分：電介質(zhì)吸附層、電極層、基底層，三部分都以層狀結(jié)構(gòu)疊合在靜電吸盤內(nèi)自表層到底座依次為電介質(zhì)吸附層、電極層和基底層，如下圖所示。除了比較常見的三層型靜電吸盤外，還有結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的靜電吸盤。

實(shí)際應(yīng)用中，圓片充當(dāng)上表面的電極，下電極和電介質(zhì)被整合制造在一個(gè)部件中。在圓片制造過(guò)程中，一個(gè)直流電壓加在圓片和下電極之間，圓片由于靜電吸引力被夾持在靜電吸盤上。此外，圓片的熱量可以通過(guò)流經(jīng)圓片背面的熱傳導(dǎo)氣體如氦氣傳導(dǎo)出去，達(dá)到溫度控制的作用。

靜電吸盤優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)的機(jī)械卡盤和真空吸盤相比靜電卡盤具有很多的優(yōu)點(diǎn)，靜電卡盤避免了傳統(tǒng)機(jī)械卡盤在使用過(guò)程中由于壓力、碰撞等機(jī)械原因?qū)斐刹豢尚迯?fù)的損傷，減少了顆粒污染，增大了晶片的有效加工面積，同時(shí)克服了真空吸盤不可以應(yīng)用于低壓環(huán)境、無(wú)法通過(guò)背吹氣體對(duì)晶片溫度進(jìn)行有效控制的缺陷。因此，靜電卡盤己經(jīng)取代了傳統(tǒng)的機(jī)械卡盤和真空吸盤，廣泛應(yīng)用于集成電路制造工藝。 機(jī)械卡盤、真空吸盤與靜電卡盤的特點(diǎn)和對(duì)比

靜電吸盤分類

靜電吸盤有兩種模型：Coulomb力模型和J-R力模型。
Coulomb力模型中，電介質(zhì)層是理想的絕緣體，其體內(nèi)沒(méi)有可自由移動(dòng)的電子，只有極化電荷，這樣兩個(gè)電極之間形成了標(biāo)準(zhǔn)的靜電吸引力。
J-R力模型中，由于電介質(zhì)層和圓片背面不是理想平面，有不同的粗糙度，加高壓直流電時(shí)，許多雜質(zhì)帶電離子（電介質(zhì)體電阻有限）遷移并聚集在電介質(zhì)上表面，體電阻值越小，加壓時(shí)間越長(zhǎng)，帶電粒子遷移得越快。這樣在非接觸面的小空洞里面形成了很強(qiáng)的電場(chǎng)，我們稱之為J-R效應(yīng)，由此產(chǎn)生的夾持力叫J-R力。
一般來(lái)說(shuō)，所有的靜電吸盤都是庫(kù)侖力和J-R力組合作用的，電介質(zhì)的體電阻值越小，其可自由移動(dòng)的帶電粒子越多，J-R力越明顯；反之，庫(kù)侖力越明顯。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，靜電吸盤要不斷的夾持、釋放圓片，這就涉及到等效的電容器充放電問(wèn)題。夾持力的大小，充放電的好壞以及冷卻氣體的品質(zhì)直接與我們生產(chǎn)的產(chǎn)品良率有關(guān)。
目前在國(guó)際上也存在許多電極層為異形狀的靜電吸盤，日本創(chuàng)意科技股份有限公司就提供了一種新型的雙極型靜電吸盤，其電極層形狀與常見的靜電吸盤電極層不同，在此形狀電極層中被劃分為兩種電極單元分別連接外界電壓的正電壓及負(fù)電壓，每個(gè)電極單元四周都分布著另一種電極單元，在整個(gè)電極層上兩種電極單元數(shù)量一樣多，這樣使得整體硅片表面電荷量總含量為零，同時(shí)在外加電壓消失時(shí)周圍的異性電極可以有效的消除電極單元的參與電荷。

關(guān)于靜電吸盤主體材料

在半導(dǎo)體加工中，對(duì)硅片的散熱工作相當(dāng)重要，如果無(wú)法保證硅片表面的均溫，則在對(duì)硅片的加工過(guò)程中將無(wú)法確保加工的均勻性，加工精度將受到極大的影響，因此如何提高硅片在加工過(guò)程中的表面的均溫性一直是半導(dǎo)體工業(yè)中的一大研究方向。現(xiàn)代的硅片工藝中普遍用來(lái)提高硅片均溫性的方法主要是通過(guò)提高硅片背面的散熱性，使局部的高溫可以立刻散失以此來(lái)保證硅片加工過(guò)程中的硅片表面的均溫。其次是通過(guò)增加硅片表面的氣體對(duì)流，使用氣體對(duì)流散熱的方法來(lái)均勻硅片表面的溫度。而第一種散熱方法主要就是依靠靜電吸盤對(duì)硅片散熱，靜電吸盤材料的散熱性將對(duì)硅片表面的均溫性產(chǎn)生極大的影響。
目前的靜電吸盤主要采用氧化鋁陶瓷作為主體制造材料，而氧化鋁材料熱導(dǎo)率及相關(guān)機(jī)械性能不及氮化鋁陶瓷。因此采用氮化鋁陶瓷替代氧化鋁陶瓷作為靜電吸盤的制造材料將成為趨勢(shì)。氮化鋁材料憑借其優(yōu)秀的綜合性能被國(guó)內(nèi)外專家一致看好，已成為業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)同的新型封裝材料。氮化鋁陶瓷還擁有的優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，其理論熱導(dǎo)率達(dá)到320W/(m·K)。除高熱導(dǎo)率外，氮化鋁陶瓷的其他性能也能優(yōu)秀：絕緣性能優(yōu)異（體電阻率超過(guò)1013Ω·cm）；熱膨脹系數(shù)（293～773K，418×10-6K-1）與半導(dǎo)體材料相近；介電常數(shù)、介電損耗適中；熱導(dǎo)率受溫度影響小特別是在200℃上時(shí)，此優(yōu)點(diǎn)更為突出。因此氮化鋁陶瓷已廣泛的運(yùn)用于集成電路的散熱基板以及微波管中的散熱元件。但由于氮化鋁陶瓷加工工藝相比氧化鋁陶瓷困難許多，在目前比較成熟的靜電吸盤技術(shù)中氮化鋁陶瓷并未得到廣泛的應(yīng)用，絕大部分的靜電吸盤均采用制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單的氧化鋁陶瓷作為主體材料，氮化鋁陶瓷相比氧化鋁的優(yōu)勢(shì)并未在靜電吸盤中得到體現(xiàn)。

全球靜電吸盤市場(chǎng)狀況及競(jìng)爭(zhēng)格局

靜電吸盤（ESC）行業(yè)的發(fā)展與半導(dǎo)體設(shè)備配套需求密切相關(guān)。近年來(lái)，隨著國(guó)家加大半導(dǎo)體領(lǐng)域的投入，我國(guó)半導(dǎo)體設(shè)備采購(gòu)額逐年增加，推動(dòng)了包括靜電吸盤（ESC）在內(nèi)的核心部件的采購(gòu)量增長(zhǎng)。此外，隨著中國(guó)大陸晶圓產(chǎn)能的建設(shè)和擴(kuò)產(chǎn)，中國(guó)成為全球晶圓產(chǎn)能增長(zhǎng)的重心，帶動(dòng)國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備的需求增長(zhǎng)，為國(guó)產(chǎn)靜電吸盤（ESC）的發(fā)展提供了良好的機(jī)遇。
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