半導體零部件(3)-靜電吸盤

靜電吸盤，又稱靜電卡盤（ESC, E—Chuck），是一種利用靜電吸附原理加持固定被吸附物的夾具，適用于真空和等離子體環境，主要作用是用于吸附超潔凈薄片(如硅片)，并使吸附物保持較好的平坦度，可以抑制吸附物在工藝中的變形，并能夠調節吸附物的溫度。

硅片夾持方式：

1、機械夾持：在早期的硅片加工中，習慣于采用傳統機械行業中機械夾持方法，即采用機械活動的夾鉗來夾持硅片，但夾鉗會對硅片的邊緣處造成損傷，同時很容易使硅片翹曲，對其加工精度有很大影響，所以在現在很少使用機械夾持的方法。

2、石蠟粘結方法：通常是先將硅片固定在夾具的特點位置上，之后通過加熱熔化粘結劑后將粘結劑滲入到硅片與夾具之間，從而進行固定。為了保證粘結劑的可靠性及硅片的固定精度，需要在之前對粘結劑進行熔化過濾以清除雜質 。在整個夾持過程需要對石蠟進行加熱、粘結、剝離及清潔，效率很低，同時粘結劑會對硅片的清潔度造成較大影響，并且很難保證石蠟粘結層的均勻性并保證無氣泡。

3、真空吸盤：真空吸盤的工作結構主要分兩個部分，中間的部分是多孔陶瓷，而邊緣部分是密封環。工作時利用多孔陶瓷上小孔將硅片與陶瓷表面之間的空氣抽出，使硅片與陶瓷表面實現低壓，硅片由于空氣壓力被吸附在吸盤表面，從而固定硅片。等到加工結束后，內部的等離子水會從陶瓷表面孔內流出，等離子水可以防止硅片粘附在陶瓷表面，同時還可以對硅片及陶瓷表面進行清洗，等到清洗完畢后再將吸盤烘干繼續對下一片硅片進行夾持工作。真空吸盤主要有兩個缺點：一是當硅片被真空吸盤吸附在吸盤表面時，硅片會由于空氣壓力導致局部變形，加工結束后硅片會發生反彈，導致其切割好的表面呈現波紋狀，同時表面平整度下降。而且在加工中可能會有微小顆粒被吸入硅片與吸盤之間，使硅片局部變形影響加工精度。二是如硅片需要在真空環境下進行加工時，真空吸盤在真空環境下則完全無法工作。

4、靜電吸盤：通過靜電吸附作用來固定晶圓，其優點在于吸附作用均勻分布于晶圓表面，晶圓不會發生翹曲變形，吸附作用力持續穩定，可控溫度，可以保證晶圓的加工精度；靜電吸盤對晶圓污染小，對晶圓無傷，可以應用于高真空環境中。半導體制造工藝中晶圓加工過程有多道工序，每一道工序都需要保證晶圓的平穩固定，靜電吸盤已經成為應用最廣泛的晶圓夾持工具，是刻蝕、薄膜沉積、離子注入等設備的核心部件。

靜電吸盤原理及分類：

當對絕緣介質的上下兩個極板之間外加電壓 U，則在兩極板之間會產生使其相互吸引的靜電場力 F:

其中ε為絕緣介質介電常數，A 為絕緣介質表面積（即電極面積），U 為兩電極間外加電壓差，d 為絕緣介質厚度（即極板間距）。圖1所示即為簡單的附模型。

圖1：靜電吸附原理示意圖

典型的靜電吸盤吸附作用系統一般是類三明治結構，其中上下兩層作為電極，中間的一層為電介質層。而在實際簡單的應用中，硅片將作為上端電極，下端電極和電介質層被整體制造在一個器件中，即稱為靜電吸盤。在夾持硅片的過程中，直流電壓加持在電極上，形成電極與硅片之間的電極差，硅片則通過靜電吸附力被夾持在靜電吸盤上。此外，硅片加工過程中產生的熱量可通過兩種方式散失：一種是通過背部的導熱系統散熱；另一種是通過硅片表面的傳熱氣體（一般為氦氣）導出。

圖2：靜電吸盤結構示意圖

一般來說靜電吸盤的吸附力有兩種模型庫侖力模型、J-R 力模型：

庫侖力模型中，電介質層材料具有絕對絕緣性，其內沒有可自由移動的電子，只能產生極化電荷，如此在兩個電極間就形成了標準的靜電吸引力。在庫侖力模型中，認為電介質層上表面與硅片層下表面皆為理想平面，兩理想平面接觸時中間形成一層厚度為 g 的空氣層。對于庫侖力模型中吸附力的計算可由結合模型推導得到公式：

其中 V 為加持在電極處的外加電壓， ?? 0 為真空絕對介電常數（8.85×10^-12·F ? ??），d 為電介質層厚度，而 g 為硅片下表面與電介質層上表面間的空氣層厚度, Kg 、Kd 分別為厚度為 g 與 d 處的相對介電常數。庫侖力靜電吸盤的一個特點是吸附力分布均勻。在庫侖力靜電吸盤中 d 通常取值在 100-200μm，而空氣層厚度 g 遠小于電介質層厚度 d，且Kg = 1，因此可簡化為：

其中Kr為電介質層相對介電常數。

J-R 力模型中，電介質層不是理想的絕緣介質，即在電介質層中有許多可以自由移動的粒子（電介質層具有有限電阻）。而電介質層與硅片的接觸面不是理想平面，兩平面的粗糙度不可忽略，因此在接觸表面形成了許多微小的空腔。電極加壓后，電介質層內的可移動粒子受到電極作用使帶負電粒子遷移聚集在電介質層下表面而帶正電粒子聚集在電介質層上表面，電介質層的體電阻越小；外加電壓持續時間越長，則內部帶電粒子移動速度越快。這樣就在接觸面上的非接觸小空洞內形成了微型電場，由這無數的微型電場產生的電場力就構成了 J-R 吸附力。

庫侖力由于較小不能滿足硅片夾持系統的全部要求，而 J-R 力則要遠大于庫侖力，因而工業應用中的靜電吸盤，其吸附力主要以 J-R 力為主，所用的靜電吸盤也往往是 J-R 吸盤。

圖3：庫侖力模型靜電吸盤

圖4：J-R力模型靜電吸盤

從材料來看，靜電吸盤主要是以氧化鋁陶瓷或氮化鋁陶瓷作為主體材料，陶瓷材料具有良好的導熱性，耐磨性及高硬度，且對比金屬材料在電絕緣性方面有先天優勢。靜電吸盤由于其功能的特殊性，要求其制造材料不同于導體材料與絕緣體材料，而是屬于半導體材料（體電阻率在 10^-3 ~10^10 Ω·cm），所以靜電吸盤也并不是純氧化鋁或純氮化鋁材料制造，而是在其中加入了其他導電物質使得其總體電阻率滿足功能性要求。

以上是關于半導體零部件(3)-靜電吸盤的相關內容介紹了，希望能對您有所幫助！

想要了解關于芯片半導體清洗的相關內容，請訪問我們的“半導體封裝清洗”專題了解相關產品與應用 ！

合明科技是一家電子水基清洗劑 環保清洗劑生產廠家,其產品覆蓋半導體清洗 芯片清洗等電子加工過程整個領域。歡迎使用合明科技水基清洗劑產品！