带你了解半导体陶瓷零部件-微孔陶瓷静电吸盘

2023-12-26

静电吸盘,又被称为静电液压卡盘(ESC,E—Chuck),是一种利用静电吸附原理扶持固定不动被吸附物的工装夹具,适用真空和等离子自然环境,作用是用以吸咐超清洁片状(如硅片),从而使吸咐物维持比较好的平整度,能够抑制吸咐物在工艺中的变型,并能够调节吸咐物环境温度。

机械设备夹持:在早期的硅片加工过程中,习惯使用传统机械制造业中机械设备夹持方式,即采用机械设备活动快速夹具来夹持硅片,但快速夹具会让硅片的边缘造成伤害,与此同时容易使硅片涨缩,并对尺寸精度有很大的影响,因此在如今很少使用机械设备夹持的办法。

石腊粘接方式:一般是先把硅片固定于工装夹具的特征位上,以后通过加热熔融粘接剂之后将粘接剂渗透到硅片与卡具中间,进而进行加固。为了确保粘接剂的稳定性及硅片固定精密度,必须在此前对粘合剂开展熔融过虑以清除残渣。在所有夹持过程需要对石腊加热、粘接、脱离及清理,效率不高,与此同时粘接剂会让硅片的洁净度造成较大影响,而且难以保证石腊结合层的均匀度并确保没有气泡。

真空泵吸盘:真空泵吸盘的组织构架主要分为两部分,正中间的部分是多孔陶瓷,而边沿部分为密封圈。工作的时候运用多孔陶瓷上小圆孔将硅片与瓷器表面间的气体抽出来,使硅片与瓷器表面完成低电压,硅片因为气体压力被吸附在吸盘表面,进而固定不动硅片。直到生产加工完成后,内部低温等离子水是从瓷器表面孔里排出,低温等离子水可避免硅片附着在瓷器表面,同时也可以对硅片及瓷器表面进行清洁,直到清理结束后再将吸盘烘干处理再次为下一片硅片开展夹持工作中。真空泵吸盘主要有两种缺陷:一是当硅片被真空泵吸盘附着在吸盘表面时,硅片会因为气体压力导致局部变型,生产加工完成后硅片会出现反跳,致使激光切割好一点的表面展现波纹状,与此同时表面平面度降低。并且在加工过程中可能有微小颗粒被吸进硅片与吸盘中间,使硅片部分变型危害尺寸精度。二是如硅片必须在真空环境下进行加工过程中,真空泵吸盘在失重状态下则完全不能工作中。

静电吸盘:根据静电吸附性来固定单晶硅片,其优点是吸附性联合分布于单晶硅片表面,单晶硅片不会产生翘曲变形,吸咐相互作用力长期稳定,可控性环境温度,可以确保单晶硅片的尺寸精度;静电吸盘对单晶硅片污染小,对单晶硅片免伤,可以用在高真空中。半导体制造工艺中晶圆加工全过程有多道工序,每一道工序都必须保证单晶硅片的稳定固定不动,静电吸盘成为了应用最广泛的单晶硅片夹持专用工具,是离子注入、薄膜沉积、干法刻蚀等设施的核心部件。

我们对绝缘介质的上下两个极片中间另加工作电压 U,即在两方面板之间也会产生使之互相欣赏的静电场力 F:

在其中ε为绝缘介质相对介电常数,A 为绝缘介质表面积(即电级总面积),U 为两电级间另加电压差,d 为绝缘介质薄厚(即极板间距)。图1所显示即是简单附实体模型。

最典型的静电吸盘吸附性系统软件一般是类三明治结构,在其中两层做为电级,中间一层为电介质层。但在具体简易的应用中,硅片将成为上方电级,下方电极和电介质层被总体生产制造在一个元件中,即称之为静电吸盘。在夹持硅片的过程当中,交流电压扶持在金属电极上,产生电级与硅片间的电级差,硅片也可通过静电吸附性被夹持在静电吸盘上。除此之外,硅片加工中的热量可以通过两种形式流失:一种是通过背部传热系统软件排热;另一种是根据硅片表面的热传导汽体(一般为氮气)导出来。

一般来说静电吸盘的吸附性主要有两种实体模型静电力实体模型、J-R 力实体模型:

静电力分析中,电介质层原材料具有绝对绝缘性能,其中并没有可自由移动电子,只有造成极化电荷,这般在这两个电级间就会形成标准化的静电诱惑力。在静电力分析中,觉得电介质层中表面与硅片层下表面均为理想化平面图,两理想化平面图接触的时候正中间形成一层厚度 g 的空气。针对静电力分析中吸咐力的计算可以由融合实体模型推论获得公式计算:

在其中 V 为扶持在电级处另加工作电压,

在其中Kr为电介质层介电常数。

J-R 力分析中,电介质层并不是最理想的绝缘介质,则在电介质层中有很多能够自由移动的颗粒(电介质层具备比较有限电阻器)。而电介质层和硅片的接触面积并不是理想化平面图,两平面的表面粗糙度不能忽视,因而在使用表面构成了很多细微的内腔。电级充压后,电介质层里的可移动的颗粒遭受电级作用使带负电荷颗粒转移聚在电介质层下表面而带正电颗粒聚在电介质层中表面,电介质层体电阻器越低;另加工作电压不断时间越久,则内部结构自由电子挪动愈快。那样就在那接触面积里的非接触式小裂缝内构成了小型静电场,由这不计其数的小型静电场所产生的静电力就构成了 J-R 吸附性。

静电力因为比较小无法满足硅片夹持全面的所有规定,而 J-R 力则要远大于静电力,因此工业生产应用中的静电吸盘,其吸附性主要是以 J-R 力为主导,所使用的静电吸盘也往往是 J-R 吸盘。

从结构来说,静电吸盘主要以碳化硅陶瓷或氮化铝陶瓷作为主体原材料,结构陶瓷具有较好的传热性,耐磨性能及高韧性,且比照金属复合材料在绝缘性方面有着独特优势。静电吸盘因为它的功能的独特性,同时要求生产制造原材料有别于电导体材料和绝缘物原材料,而是属于半导体器件(体电阻在 10^-3~10^10 Ω·cm),因此静电吸盘并不是纯三氧化二铝或纯氮化铝材料制造,反而是在这其中加入别的导电性化学物质使其整体电阻达到多功能性规定。

依据 QYResearch 的信息,2021 年世界静电吸盘销售市场销售额为 17.14 亿美金,预估2028年有望突破 24.12 亿美金,2022-2028 复合增长率为 5.06%。从销量上看,2021 年世界静电吸盘销量为 5.54 千件,预估 2028 年有望突破 7.99 千件。

2021 年,我国静电吸盘市场容量做到 21.12 亿人民币,Global InfoResearch 预估 2028 年有望突破 34.81 亿人民币,2022-2028 复合增长率为 7.29%。

江西省国瓷环境保护微孔陶瓷吸盘

全世界静电吸盘市场主要被美日生产商垄断性,主要厂商以及美国 Applied Materials、国外 Lam Research、日本 SHINKO、日本 TOTO、日本 NTK 等企业,在其中 Applied Materials 和 Lam为自己半导体行业配套设施生产制造静电吸盘,它们将制造的离子注入、PVD、CVD 等设备配套静电吸盘一起出售给芯片加工,因为静电吸盘归属于易耗品,使用期限一般不超过2年,因而静电吸盘具有很大的更换销售市场。

2021 年世界前三大静电吸盘生产商为 Applied Materials、Lam Research 和 SHINKO,在其中 Applied Materials 以 43.86%市场占比位居全球第一,Lam Research 和 SHINKO 市场占有率分别是 31.42%、10.20%。

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