CN110323149B - 一种高温静电卡盘及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种高温静电卡盘，包括基座，基座上方依次设有上过渡层、吸附电极层和上绝缘层，基座下方依次设有下过渡层、加热电极层和下绝缘层，吸附电极层包括双吸附电极，吸附晶片时双电极分别通以幅度相同、极性相反且相位相差180°的直流脉冲电压，释放晶片时双电极的正负极性互换，加热电极层包括至少两个加热区，各加热区的圆心重合并均匀布置且加热功率独立控制。卡盘的制作方法，包括步骤：采用磁控镀膜在基座的上、下表面分别沉积上过渡层和下过渡层；在下过渡层背面沉积加热电极层；在加热电极层背面沉积下绝缘层；在上过渡层正面沉积吸附电极层；在吸附电极层正面沉积上绝缘层。本发明具有晶片温度均匀性好、吸附紧固，生产效率高等优点。

Description

一种高温静电卡盘及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体器件制造领域，尤其涉及一种高温静电卡盘及其制作方法。

背景技术

随着我国工业强基工程的实施，高端装备国产化替代需求越发强烈，集成电路制造又迎来产业春天，特别是第三代宽禁带半导体的飞速发展，对用于半导体器件制造特别是SiC器件制造的高温静电卡盘的需求急剧上升。

在半导体器件制造工艺中，为固定和支撑晶片、避免工艺处理过程中晶片出现移动或者错位，需要将晶片进行固定，同时工艺过程中还需对晶片进行加热使其升温，尤其是SiC晶片，加热温度高达500℃以上。传统的机械卡盘和红外石英管加热存在诸多缺陷：例如由于压力、碰撞等原因容易造成晶片破损，影响晶片可被有效加工的面积，晶片表面容易出现腐蚀物颗粒的沉积，影响晶片和卡盘之间的热传导，晶片温度均匀性较差等，同时生产效率也偏低，不能满足大生产需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种晶片温度均匀性好、吸附紧固，生产效率高的高温静电卡盘。

本发明进一步提供一种该高温静电卡盘的制作方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种高温静电卡盘，包括基座，所述基座上方依次设有上过渡层、吸附电极层和上绝缘层，所述基座下方依次设有下过渡层、加热电极层和下绝缘层，所述吸附电极层包括双吸附电极，吸附晶片时双电极分别通以幅度相同、极性相反且相位相差180°的直流脉冲电压，释放晶片时双电极的正负极性互换，所述加热电极层包括至少两个加热区，各加热区的圆心重合并均匀布置，各加热区的加热功率独立控制。通过在双吸附电极上施加幅度相同、极性相反且相位相差180°的直流脉冲电压使得在吸附电极上和晶片对应的位置产生极性相反的电荷，感应出的电荷与双吸附电极上的电荷产生静电引力，从而实现对晶片的吸附。当需要释放晶片时，通过交换双吸附电极的正负极性，以此来加速消除晶片上的静电电荷以及静电电荷带来的残余引力，达到快速释放晶片的目的，避免晶片受到残余引力而遭到破坏，提高了生产效率；加热电极层采用两个以上的同心圆等间距均匀布置，各区域独立控制加热功率，通过调整各区域的加热功率，提高晶片温度的均匀性、一致性；上过渡层、下过渡层的设置可以用来增加层与层之间的附着力，提高高温静电卡盘长期使用后的可靠性；上绝缘层主要用作吸附电极层和晶片之间的电介质，便于静电场的形成；下绝缘层主要用作加热电极层和卡盘固定件之间的绝缘，以及吸附电极、加热电极的接线柱安装。

作为上述技术方案的进一步改进：所述加热电极层相邻两圈的绕制方向相反。由于相邻两圈的绕制方向相反，通电后对应的电流方向相反，可使升温过程中感应的磁场最小，有效降低高温对静电吸附的影响。

作为上述技术方案的进一步改进：所述加热电极层包括三个加热区，内侧的加热区面积占总面积的35-45％，中间的加热区面积占总面积的33-40％，外侧的加热区面积占总面积的20-26％。采用三个加热区具有最佳的效果，由于热效应和热损耗的不同，各区所占的面积需要有所区别，内圈的面积最大，中圈次之，外圈最小，优选内圈占40％左右、中圈37％左右、外圈23％左右，可进一步提高晶片温度的均匀性、一致性。

作为上述技术方案的进一步改进：所述双吸附电极包括第一吸附电极I和第二吸附电极II，所述第一吸附电极I包括U型部以及两个C型部，两个所述C型部分设于所述U型部的两侧且开口相对布置，其中一个所述C型部与所述U型部一侧的上端相连，另一个所述C型部与所述U型部另一侧的下端相连，所述第二吸附电极II与所述第一吸附电极I嵌套配合以形成圆形的吸附电极层。该种相互嵌套、咬合的双电极结构，保证了吸附晶片时的受力均匀，吸附更紧固、可靠。

作为上述技术方案的进一步改进：所述第一吸附电极I和所述第二吸附电极II上均设置有引线孔，所述第一吸附电极I和所述第二吸附电极II之间的间隙内布置有接地针孔、至少三个顶架孔以及多个气孔，所述顶架孔内装配有用来装卸晶片的顶针，所述接地针孔内装配有接地针，多个气孔位于同一圆周上，所述第一吸附电极I和所述第二吸附电极上与所述接地针孔对应处均设有圆弧缺口，所述第一吸附电极I和所述第二吸附电极II上与顶架孔对应处均设有圆弧缺口，所述第一吸附电极I或所述第二吸附电极II上与所述气孔对应处设有圆弧缺口。引线孔可采用过孔沉积法沉积金属膜引线到下绝缘层背面(下表面)接吸附电极接线柱；顶架孔内装配顶针，便于晶片的顶起和放下；接地针孔内装配金属接地针，便于晶片的静电释放；多个气孔沿圆周方向间隔均匀，可提高温度均匀性并方便散热。顶架孔优选采用三个，并呈等边三角形布置，有利于保证吸附晶片时的受力均匀；第一吸附电极和第二吸附电极上与各孔对应设置圆弧缺口，确保各孔与吸附电极的绝缘距离。

作为上述技术方案的进一步改进：所述基座为陶瓷基座或石英基座，基座采用陶瓷或石英材料，能够耐高温，是很好的热容量载体，特别适应于1000摄氏度以下的高温应用，所述上过渡层和所述下过渡层均为钛膜层，所述吸附电极层为氧化锡铟膜层或铜膜层，所述上绝缘层为氧化硅膜层，所述加热电极层为钨膜层，所述下绝缘层为氧化铝膜层。

作为上述技术方案的进一步改进：所述基座的厚度为3.5-4.5mm，所述上过渡层和所述下过渡层的厚度为18-22nm，所述吸附电极层的厚度为9-11um，所述上绝缘层的厚度为18-22um，所述加热电极层的厚度为9-11um，所述下绝缘层的厚度为26-33um。从导电性能、绝缘性能、热传导性能方面考虑，各层采用上述特定的厚度，能够保证卡盘性能最佳。

一种上述的高温静电卡盘的制作方法，包括以下步骤：

S1、采用磁控镀膜在基座的上、下表面分别沉积上过渡层和下过渡层，并利用掩膜技术遮挡不需要镀膜的区域；

S2、采用磁控镀膜在下过渡层下表面沉积加热电极层，并利用掩膜技术遮挡不需要镀膜的区域，加热电极的终端引线采用沉积过孔引出至下绝缘层下方，采用磁控镀膜可获得纳米级的单层或多层的新材料，尤其适用于在陶瓷基座表面沉积单层或多层薄膜，膜层致密，附着力强，成膜均匀性好；

S3、采用气相沉积法在加热电极层下表面沉积下绝缘层；

S4、采用磁控镀膜在上过渡层上表面沉积吸附电极层，并利用掩膜技术遮挡不需要镀膜的区域；或采用电镀法在上过渡层上表面形成吸附电极层；

S5、采用气相沉积法在吸附电极层上表面沉积上绝缘层。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明公开的高温静电卡盘，在脉冲高压的作用下，利用晶片和双吸附电极之间产生的静电引力来达到吸附晶片的目的，同时通过盘内的加热电极层来提升晶片的温度，相对传统的机械卡盘和红外石英管加热，具有很多优势：减少了在使用机械卡盘时由于压力、碰撞等原因造成的晶片破损，增大了晶片可被有效加工的面积，减少了晶片表面腐蚀物颗粒的沉积，使晶片和卡盘可以更好的进行热传导。加热电极层采用两个以上的同心圆等间距均匀布置，各区域独立控制加热功率，通过调整各区域的加热功率，提高晶片温度的均匀性、一致性；当需要释放晶片时，通过交换双吸附电极的正负极性，以此来消除晶片上的静电电荷以及静电电荷带来的残余引力，达到加速释放晶片的目的，经过反复验证使用本发明的高温静电卡盘，不但能满足高温衬底的工艺技术要求，也能够大幅提高生产率，满足产线的大生产需求。

附图说明

图1是本发明高温静电卡盘的结构示意图。

图2是本发明中的加热电极层的结构示意图。

图3是本发明中的吸附电极层的结构示意图。

图4是本发明中的第一吸附电极的结构示意图。

图5是本发明中的第二吸附电极的结构示意图。

图中各标号表示：1、基座；2、上过渡层；3、吸附电极层；31、U型部；32、C型部；33、引线孔；34、接地针孔；35、顶架孔；36、气孔；37、圆弧缺口；4、上绝缘层；5、下过渡层；6、加热电极层；61、外侧加热区引线终端；62、中间加热区引线终端；63、内侧加热区引线终端；7、下绝缘层；I、第一吸附电极；II、第二吸附电极。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

图1示出了本发明的一种实施例，本实施例以4寸高温静电卡盘为例，包括由Al₂O₃构成的下绝缘层7、加热电极层6、由钛构成的下过渡层5、由陶瓷或石英构成的基座1、由钛构成的上过渡层2、吸附电极层3、由SiO₂构成的上绝缘层4。厚度为4mm的陶瓷(或石英)基座4用做高温静电卡盘的基底，下过渡层5沉积在陶瓷(或石英)基座4的底部(或称下表面)，厚度为20nm。下过渡层5的下部沉积厚度为10μm的钨丝加热电极层6。下过渡层5和加热电极层6都采用磁控镀膜及掩膜技术制作膜层，在加热电极层6的下底利用气相沉积法沉积Al₂O₃膜而形成下绝缘层7，厚度为30μm，加热电极层6内部的三个加热区的加热电极引线采用过孔沉积法引到下绝缘层7的背面(或称下表面)，便于安装接线柱。在陶瓷(或石英)基座4的上部沉积厚度为20nm的上过渡层2，上过渡层2上部再沉积厚度为10μm的吸附电极层3，吸附电极层3材料为ITO靶材或铜，相应地若采用氧化锡铟时采用磁控溅射镀膜法，采用铜时在采用电镀法，上绝缘层4通过气相沉积法在吸附电极层3上面沉积SiO₂薄膜而成，厚度为20μm，需要吸附的晶片就放在上绝缘层4上面，通过施加直流脉冲高压于吸附电极层3实现对晶片的吸附，通过三个加热区的加热电极的供电控制实现晶片的温度升降控制。

进一步地，如图2所示，本实施例所述的加热电极层6，包括外侧加热区引线终端61、中间加热区引线终端62、内侧加热区引线终端63，也即外侧加热区处于加热电极层6的外圈，中间加热区处于加热电极层6的中圈，内侧加热区处于加热电极层6的内圈，三个加热区都采用磁控镀膜及掩膜技术在下过渡层5上沉积钨膜形成。按4寸高温静电卡盘的尺寸计算各区钨丝的各项参数如下表1所示，各引线终端采用沉积过孔法将其引致下绝缘层7背面，三个加热区按照同心圆等间距均匀布置，相邻两圈绕制方向相反，各加热区可独立控制加热功率，温度均匀性高；按照800摄氏度的升温计算加热总功率只有700多瓦，远小于传统的红外石英管加热功率1500瓦。由于热效应和热损耗的不同，因此各区所占面积有所区别，内圈面积最大，要求40％左右，中圈次之，要求37％左右，外圈面积为23％左右。当然在其他实施例中，加热区可以减少为两个，或者适当增加，随着加热区数量的增加，加热电极层6的结构及温度控制会变得更加复杂，相应地成本也有所增加。

表1

如图3、图4和图5所示，本实施例的吸附电极层3的布置示意图，包括：第一吸附电极I、第二吸吸附电极II、顶架孔35、接地针孔34、气孔36。其制造工艺为：采用磁控镀膜及掩膜技术在上过渡层2上沉积透明ITO导电薄膜(或采用电镀法电镀铜膜)形成双吸附电极，厚度为10μm。双电极以相互嵌套、咬合的方式交错布置，在双电极的交错空隙处布置3个直径为3mm的顶架孔35(当然在其他实施例中也可增加顶架孔35的数量)、2个直径为3mm的接地针孔34、9个直径为1mm的气孔36。在第一吸附电极I区间内布置1个直径为2mm的吸附电极引线孔33，在第二吸附电极II区间内布置1个直径为2mm的吸附电极引线孔33。顶架孔35内装配顶针(图中未示出)，便于装卸晶片的顶起和放下。接地针孔34内装配金属接地针，便于晶片的静电释放。9个气孔65间隔均匀，用以精品提高温度均匀性以及降温过程中的散热。两个吸附电极引线孔33采用过孔沉积法沉积金属膜引线到下绝缘层7背面接吸附电极接线柱。在第一吸附电极I和第二吸附电极II分别通以幅度相同、极性相反且相位相差180°的直流脉冲高压，使得在静电卡盘的吸附电极上和晶片对应的位置产生极性相反的电荷，感应出的电荷与第一吸附电极I、第二吸附电极II上的电荷产生静电引力，从而实现对晶片的吸附。当需要释放晶片时，通过交换第一吸附电极I和第二吸附电极II的正负极性，以此来消除晶片上的静电电荷以及静电电荷带来的残余引力，达到释放晶片的目的。以相互嵌套、咬合的方式交错布置的双电极保证了吸附晶片时的受力均匀，吸附更紧固，而在释放晶片时又能将积累的静电加速释放，避免晶片受到残余引力遭到破坏。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种高温静电卡盘，其特征在于：包括基座(1)，所述基座(1)上方依次设有上过渡层(2)、吸附电极层(3)和上绝缘层(4)，所述基座(1)下方依次设有下过渡层(5)、加热电极层(6)和下绝缘层(7)，所述吸附电极层(3)包括双吸附电极，吸附晶片时双吸附电极分别通以幅度相同、极性相反且相位相差180°的直流脉冲电压，释放晶片时双吸附电极的正负极性互换，所述加热电极层(6)包括至少两个加热区，各加热区的圆心重合并均匀布置，各加热区的加热功率独立控制，所述双吸附电极包括第一吸附电极(I)和第二吸附电极(II)，所述第一吸附电极(I)包括U型部(31)以及两个C型部(32)，两个所述C型部(32)分设于所述U型部(31)的两侧且开口相对布置，其中一个所述C型部(32)与所述U型部(31)一侧的上端相连，另一个所述C型部(32)与所述U型部(31)另一侧的下端相连，所述第二吸附电极(II)与所述第一吸附电极(I)嵌套配合以形成圆形的吸附电极层(3)。

2.根据权利要求1所述的高温静电卡盘，其特征在于：所述加热电极层(6)相邻两圈的绕制方向相反。

3.根据权利要求2所述的高温静电卡盘，其特征在于：所述加热电极层(6)包括三个加热区，内侧的加热区面积占总面积的35-45％，中间的加热区面积占总面积的33-40％，外侧的加热区面积占总面积的20-26％。

4.根据权利要求1所述的高温静电卡盘，其特征在于：所述第一吸附电极(I)和所述第二吸附电极(II)上均设置有引线孔(33)，所述第一吸附电极(I)和所述第二吸附电极(II)之间的间隙内布置有接地针孔(34)、至少三个顶架孔(35)以及多个气孔(36)，所述顶架孔(35)内装配有用来装卸晶片的顶针，所述接地针孔(34)内装配有接地针，多个气孔(36)沿圆周方向均匀布置，所述第一吸附电极(I)和所述第二吸附电极(II)上与所述接地针孔(34)对应处均设有圆弧缺口(37)，所述第一吸附电极(I)和所述第二吸附电极上与顶架孔(35)对应处均设有圆弧缺口(37)，所述第一吸附电极(I)或所述第二吸附电极(II)上与所述气孔(36)对应处设有圆弧缺口(37)。

5.根据权利要求1至4任一项所述的高温静电卡盘，其特征在于：所述基座(1)为陶瓷基座或石英基座，所述上过渡层(2)和所述下过渡层(5)均为钛膜层，所述吸附电极层(3)为氧化锡铟膜层或铜膜层，所述上绝缘层(4)为氧化硅膜层，所述加热电极层(6)为钨膜层，所述下绝缘层(7)为氧化铝膜层。

6.根据权利要求5所述的高温静电卡盘，其特征在于：所述基座(1)的厚度为3.5-4.5mm，所述上过渡层(2)和所述下过渡层(5)的厚度为18-22nm，所述吸附电极层(3)的厚度为9-11um，所述上绝缘层(4)的厚度为18-22um，所述加热电极层(6)的厚度为9-11um，所述下绝缘层(7)的厚度为26-33um。

7.一种权利要求1至6中任一项所述的高温静电卡盘的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、采用磁控镀膜在基座(1)的上、下表面分别沉积上过渡层(2)和下过渡层(5)，并利用掩膜技术遮挡不需要镀膜的区域；

S2、采用磁控镀膜在下过渡层(5)下表面沉积加热电极层(6)，并利用掩膜技术遮挡不需要镀膜的区域，加热电极的终端引线采用沉积过孔引出至下绝缘层(7)下方；

S3、采用气相沉积法在加热电极层(6)下表面沉积下绝缘层(7)；

S4、采用磁控镀膜在上过渡层(2)上表面沉积吸附电极层(3)，并利用掩膜技术遮挡不需要镀膜的区域；或采用电镀法在上过渡层(2)上表面形成吸附电极层(3)；

S5、采用气相沉积法在吸附电极层(3)上表面沉积上绝缘层(4)。

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