CN112018021A - 具有可再生性能的静电卡盘及其成型方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了具有可再生性能的静电卡盘及其成型方法，具有可再生性能的静电卡盘包括底座、设于底座顶部的绝缘层、设于绝缘层顶部的介电层、夹持内嵌设于绝缘层和介电层之间的电极层、以及设于介电层表面的由类金刚石薄膜制成的若干凸台；若干凸台沿介电层圆心呈数个不同直径环绕的圆形间断分布，介电层表面设有若干沿其不同直径方向分布的冷却槽，若干凸台的表面架置设有晶圆基板。本发明实现了抑制晶圆与介电层直接接触产生的磨耗，抑制微粒的产生。
Description
技术领域
本发明属于半导体制造技术领域，尤其涉及一种具有可再生性能的静电卡盘及其成型方法。
背景技术
半导体制造机台在半导体加工过程中要经过等离子刻蚀、离子体注入、热扩散、半导体封装等多个复杂工序，每一个工序都有其专门的生产机台，因此半导体生产过程(搬运和处理)中的夹持就显得尤为重要。现有半导体搬运和处理过程中主要利用装有静电卡盘的机械手臂固定和移动半导体晶圆。静电卡盘在使用过程中仅接触半导体晶圆的背面。
传统的静电卡盘主要由金属或者陶瓷构成，有些静电卡盘也会由两种材料共同构成。但是，由于金属型静电卡盘在与晶圆接触时极易对晶圆产生污染，因此在晶圆接触面使用陶瓷材料，如氧化铝和石英等，与金属材料相比，陶瓷材料还具有更加优异的透电率和阻抗率，使用过程中可以更加迅速的夹持和释放晶圆。但是，在另一方面，陶瓷静电卡盘与晶圆接触过程中会与晶圆摩擦产生损耗，同时产生大量微粒。
为了防止静电卡盘使用过程中在晶圆表面产生微粒，一般选用与晶圆基板之间摩擦系数较小，硬度很高的材料在介电层上表面形成多个凸起物，但是凸起物易将晶圆表面刮坏，使用过程中若要频繁更换，势必需要停止半导体制造机台(真空机台)，此时生产周期的增加将不可避免，因此防止静电卡盘的摩擦产生的微粒来提高静电卡盘使用周期十分必要。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术问题，而提供具有可再生性能的静电卡盘及其成型方法，从而实现抑制晶圆与介电层直接接触产生的磨耗，抑制微粒的产生。为了达到上述目的，本发明技术方案如下：
具有可再生性能的静电卡盘，包括底座、设于底座顶部的绝缘层、设于绝缘层顶部的介电层、夹持内嵌设于绝缘层和介电层之间的电极层、以及设于介电层表面的由类金刚石薄膜制成的若干凸台；若干凸台沿介电层圆心呈数个不同直径环绕的圆形间断分布，介电层表面设有若干沿其不同直径方向分布的冷却槽，若干凸台的表面架置设有晶圆基板。
具体的，所述冷却槽呈十字交叉分布于介电层表面，冷却槽内充入冷却介质。
具体的，所述介电层表面位于最外圈凸台位置的外周设有环绕闭合的外环凸部，冷却槽的两端置于外环凸部内部。
具体的，所述凸台和外环凸部硬度达到800HV以上，其与晶圆基板之间摩擦系数在0.05-0.2。
具体的，所述外环凸部和凸台的高度范围为4-6μm，外环凸部的宽度为0.6-0.8mm，凸台与晶圆基板接触直径为0.6-0.8mm。
具体的，同一圆周上所述凸台间距或同一径向相邻圆周上凸台间距在0.5-1.5mm。
具有可再生性能的静电卡盘成型方法，包括以下步骤：
分为两种成型再生方式，I)：
1)静电卡盘表面介电层进行表面清洁处理；
2)打磨，控制静电卡盘的表面粗糙度在0.3-0.5μm；
3)喷涂，包括以下两种喷涂方式，i)首先在介电层表面喷涂，形成1-2μm的缓冲层，接下来将类金刚石粉喷涂在缓冲层表面形成类金刚石薄膜，类金刚石薄膜的厚度在4-6μm之间；或ii)直接将类金刚石粉喷涂在介电层表面形成类金刚石薄膜；
4)标记，标记成型厚度为0.1-1mm的干膜抗蚀层，在类金刚石薄膜上表面形成印花；
5)喷砂，去除印花位置以外的类金刚石薄膜，成型凸台和外环凸部；
6)清洗，完全清除残留标记膜；
II)：
1)静电卡盘表面介电层进行表面清洁处理；
2)打磨，控制静电卡盘的表面粗糙度在0.3-0.5μm；
3)标记，标记成型厚度为0.1-1mm的干膜抗蚀层，在介电层上表面形成印花；
4)喷涂，包括以下两种喷涂方式，i)首先在介电层和标记膜表面喷涂，形成1-2μm的缓冲层，接下来将类金刚石粉喷涂在缓冲层表面形成类金刚石薄膜，类金刚石薄膜的厚度在4-6μm之间；或ii)直接将类金刚石粉喷涂在介电层和标记膜表面形成类金刚石薄膜；
5)清洗，清除残留标记膜，凸台和外环凸部外露显出。
具体的，所述表面清洁处理采用5％浓度的过氧化氢溶液或氢氧化铵溶液。
具体的，所述标记的步骤包括涂胶、曝光、显影、烘干、刻蚀形成印花。
具体的，所述喷砂的步骤采用重力落料式多次喷砂，空气压力为0.5MPa，采用碳化硅或金刚砂，砂子目数为800-1200目。
与现有技术相比，本发明具有可再生性能的静电卡盘及其成型方法的有益效果主要体现在：
静电卡盘表面形成数十至数百个形状规则的凸台，相比传统的激光加工，该方法获得的凸台在形状、尺寸和位置上的精度都比较高；静电卡盘的凸台和外环凸部使用硬度较高且摩擦系数较低的类金刚石材料，可以在不损坏静电卡盘吸着能力的同时，可以抑制晶圆与介电层直接接触产生的磨耗，抑制微粒的产生，提高产品寿命；当静电卡盘使用一段时间后，可再生凸台和外环凸部，有效降低生产成本。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为实施例1中图1的局部放大示意图；
图3为实施例1中介电层俯视结构示意图；
图4为实施例2的工艺流程示意图；
图5为实施例3的工艺流程示意图；
图6为实施例3制备的静电卡盘在不同条件下平均摩擦系数试验对比数据图；
图7为实施例3制备的静电卡盘在不同条件下晶圆基板磨损率试验对比数据图；
图中数字表示：
1底座、2绝缘层、3介电层、4电极层、5凸台、51外环凸部、6冷却槽、7晶圆基板。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1：
参照图1-3所示，本实施例为具有可再生性能的静电卡盘，包括底座1、设于底座1顶部的绝缘层2、设于绝缘层2顶部的介电层3、夹持内嵌设于绝缘层2和介电层3之间的电极层4、以及设于介电层3表面的由类金刚石薄膜制成的若干凸台5；若干凸台5沿介电层3圆心呈数个不同直径环绕的圆形间断分布，介电层3表面设有若干沿其不同直径方向分布的冷却槽6，若干凸台5的表面架置设有晶圆基板7。
本实施例中冷却槽6呈十字交叉分布于介电层3表面，冷却槽6内充入冷却介质，冷却介质为氦气。
本实施例中底座1采用不锈钢金属材料制成。绝缘层2和介电层3采用陶瓷材料制成，如氮化铝。电极层4采用钨或金的导电材料制成。
介电层3表面位于最外圈凸台位置的外周设有环绕闭合的外环凸部51。冷却槽6的两端置于外环凸部51内部，外环凸部51对冷却槽6内冷却介质具有密封作用。
外环凸部51由类金刚石薄膜制成。类金刚石薄膜制成的凸台5和外环凸部51硬度达到800HV以上，其与晶圆基板之间摩擦系数在0.05-0.2。凸台5的耐磨耗性、滑动性优良，在使用过程中与晶圆基板7接触面小，损耗少，同时也不会划伤晶圆基板7。
外环凸部51的宽度为0.6-0.8mm，高度为4-6μm。外环凸部51的直径与介电层3的直径比例为8：10。外环凸部51为等宽圆环结构，凸台5为圆台结构或圆柱结构，凸台5与晶圆基板接触直径为0.6-0.8mm，高度为4-6μm。
同一圆周上凸台5间距或同一径向相邻圆周上凸台5间距在0.5-1.5mm。
冷却槽6的截面为倒置的锥台结构。
实施例2：
参照图4所示，一种具有可再生性能的静电卡盘成型方法，包括以下步骤：
1)静电卡盘表面介电层3进行表面处理，表面清洁处理去除静电卡盘表面有机杂质、金属杂质，选用碱性溶液，优选为5％浓度的氢氧化铵溶液；新制静电卡盘表面光洁情况下可省略此步骤；
2)打磨，控制静电卡盘的表面粗糙度在0.3μm，选用600目砂纸打磨2min，通过表面粗糙度仪测量介电层表面粗糙度，若不符合粗造度范围则增加砂纸目数，再次打磨3min，直至符合要求；打磨过程为了保证静电卡盘表面平坦，且具有合理的表面粗糙度，提高静电卡盘表面粘结力；
3)喷涂，具体包括以下两种方式，i)首先在介电层3上表面通过化学气相沉积方法喷涂，在静电卡盘表面形成1μm的缓冲层，缓冲层的材质为镍，接下来将类金刚石粉用化学气相沉积方法喷涂在缓冲层表面形成类金刚石薄膜，类金刚石薄膜的厚度在4μm，同时保证其硬度在800HV以上，缓冲层的作用是提高介电层与类金刚石薄膜之间的密封性；ii)直接将类金刚石粉用化学气相沉积方法喷涂在介电层表面形成类金刚石薄膜，类金刚石薄膜的厚度在4μm，同时保证其硬度在800HV以上；
4)标记，标记成型厚度为0.1-1mm的干膜抗蚀层，厚度优选为0.3-0.5μm；具体包括涂胶、曝光、显影、烘干、刻蚀，在类金刚石薄膜上表面形成印花；
5)喷砂，采用重力落料式多次喷砂，空气压力为0.5MPa，优选为碳化硅、金刚砂，采用砂子目数为1200目，去除印花位置以外的类金刚石薄膜，成型凸台5和外环凸部51；
6)清洗，完全清除残留标记膜，采用与标记膜反应的弱碱性溶液，优选为5％浓度的碳酸氢钠溶液，用清水或酒精进行超声波处理。
采用上述成型方法制备的静电卡盘，介电层3直径为300mm，外环凸部51的宽度为0.6mm，凸台5与晶圆基板接触直径为0.6mm，凸台5为圆柱结构，凸台5硬度为1500HV，其与晶圆基板之间摩擦系数为0.09。
实施例3：
参照图5、图6、图7所示，另一种具有可再生性能的静电卡盘成型方法，包括以下步骤：
1)静电卡盘表面介电层3进行表面处理，表面清洁处理去除静电卡盘表面有机杂质、金属杂质，选用碱性溶液，优选为5％浓度的过氧化氢溶液；新制静电卡盘表面光洁情况下可省略此步骤；
2)打磨，控制静电卡盘的表面粗糙度在0.5μm，选用600目砂纸打磨3min，通过表面粗糙度仪测量介电层表面粗糙度，若不符合粗造度范围则增加砂纸目数，再次打磨2min，直至符合要求；
3)标记，标记成型的是厚度为0.1-1mm的干膜抗蚀层，厚度优选为0.3-0.5μm；具体包括涂胶、曝光、显影、烘干、刻蚀，在介电层上表面形成印花；
4)喷涂，具体包括以下两种方式，I)首先在介电层3和标记膜上表面通过化学气相沉积方法喷涂，形成2μm的缓冲层，缓冲层的材质为碳化硅，接下来将类金刚石粉用化学气相沉积方法喷涂在缓冲层表面形成类金刚石薄膜，类金刚石薄膜的厚度在6μm，同时保证其硬度在800HV以上，缓冲层的作用是提高介电层与类金刚石薄膜之间的密封性；II)直接将类金刚石粉用化学气相沉积方法喷涂在介电层3和标记膜表面形成类金刚石薄膜，类金刚石薄膜的厚度在6μm，同时保证其硬度在800HV以上；
5)清洗，清除残留标记膜，采用与标记膜反应的弱碱性溶液，优选为5％浓度的碳酸氢钠溶液，用清水或酒精进行超声波处理，凸台5和外环凸部51外露显出。
采用上述成型方法制备的静电卡盘，介电层3直径为300mm，外环凸部51的宽度为0.8mm，凸台5与晶圆基板接触直径为0.8mm，凸台5为圆柱结构，凸台5硬度为1400HV，其与晶圆基板之间摩擦系数为0.09。
制备具有可再生性能的静电卡盘的试验方法：
在CSM往复式摩擦机上进行不同材料在不同载荷下对晶圆表面的摩擦磨损试验，摩擦振幅为5mm，滑动频率为5Hz，摩擦配副分别选用涂有类金刚石薄膜的直径为6mm的304不锈钢球、不做处理的不锈钢球及SiC球，测试期间的室温为(18±2)℃，相对湿度为(20±5)％。采用D-100型二维接触式轮廓仪测量晶圆表面磨痕截面积来估算磨损率，为了降低试验误差，分别在每道磨痕选取3个不同位置进行划试后取其均值，磨损率根据经典磨损方程，即式(1)计算。
其中，V为磨损体积，用平均磨损截面积乘以摩擦振幅得到(mm3)；F为施加的法向载荷(N)；S为摩擦的总距离(m)。
不同条件下材料的平均摩擦系数和磨损率分别如图6和图7所示。从图中可以看出，随着载荷的增加，类金刚石膜的摩擦系数基本稳定在0.09左右，而其他两种材料随载荷的增加摩擦系数会大幅提高；同时类金刚石膜材料对晶圆的磨损率要比其他两种材料小1到2个数量级，可以有效抑制对晶圆材料的损伤和微粒的产生。
应用上述实施例时，静电卡盘表面形成数十至数百个形状规则的凸台，相比传统的激光加工，该方法获得的凸台在形状、尺寸和位置上的精度都比较高；静电卡盘的凸台和外环凸部使用硬度较高且摩擦系数较低的类金刚石材料，可以在不损坏静电卡盘吸着能力的同时，可以抑制晶圆与介电层直接接触产生的磨耗，抑制微粒的产生，提高产品寿命；当静电卡盘使用一段时间后，可再生重制凸台和外环凸部，有效降低生产成本。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.具有可再生性能的静电卡盘，其特征在于：包括底座、设于底座顶部的绝缘层、设于绝缘层顶部的介电层、夹持内嵌设于绝缘层和介电层之间的电极层、以及设于介电层表面的由类金刚石薄膜制成的若干凸台；若干凸台沿介电层圆心呈数个不同直径环绕的圆形间断分布，介电层表面设有若干沿其不同直径方向分布的冷却槽，若干凸台的表面架置设有晶圆基板；
所述介电层表面位于最外圈凸台位置的外周设有环绕闭合的外环凸部；
所述介电层表面设有缓冲层，缓冲层表面形成类金刚石薄膜。
2.根据权利要求1所述的具有可再生性能的静电卡盘，其特征在于：所述冷却槽呈十字交叉分布于介电层表面，冷却槽内充入冷却介质。
3.根据权利要求2所述的具有可再生性能的静电卡盘，其特征在于：所述冷却槽的两端置于外环凸部内部。
4.根据权利要求3所述的具有可再生性能的静电卡盘，其特征在于：所述凸台和外环凸部硬度达到800HV以上，其与晶圆基板之间摩擦系数在0.05-0.2。
5.根据权利要求3所述的具有可再生性能的静电卡盘，其特征在于：所述外环凸部和凸台的高度范围为4-6μm，外环凸部的宽度为0.6-0.8mm，凸台与晶圆基板接触直径为0.6-0.8mm。
6.根据权利要求1所述的具有可再生性能的静电卡盘，其特征在于：同一圆周上所述凸台间距或同一径向相邻圆周上凸台间距在0.5-1.5mm。
7.具有可再生性能的静电卡盘成型方法，其特征在于，包括以下步骤：
分为两种成型再生方式，I)：
1)静电卡盘表面介电层进行表面清洁处理；
2)打磨，控制静电卡盘的表面粗糙度在0.3-0.5μm；
3)喷涂，包括以下两种喷涂方式，i)首先在介电层表面喷涂，形成1-2μm的缓冲层，接下来将类金刚石粉喷涂在缓冲层表面形成类金刚石薄膜，类金刚石薄膜的厚度在4-6μm之间；或ii)直接将类金刚石粉喷涂在介电层表面形成类金刚石薄膜；
4)标记，标记成型厚度为0.1-1mm的干膜抗蚀层，在类金刚石薄膜上表面形成印花；
5)喷砂，去除印花位置以外的类金刚石薄膜，成型凸台和外环凸部；
6)清洗，完全清除残留标记膜；
II)：
1)静电卡盘表面介电层进行表面清洁处理；
2)打磨，控制静电卡盘的表面粗糙度在0.3-0.5μm；
3)标记，标记成型厚度为0.1-1mm的干膜抗蚀层，在介电层上表面形成印花；
4)喷涂，包括以下两种喷涂方式，i)首先在介电层和标记膜表面喷涂，形成1-2μm的缓冲层，接下来将类金刚石粉喷涂在缓冲层表面形成类金刚石薄膜，类金刚石薄膜的厚度在4-6μm之间；或ii)直接将类金刚石粉喷涂在介电层和标记膜表面形成类金刚石薄膜；
5)清洗，清除残留标记膜，凸台和外环凸部外露显出。
8.根据权利要求7所述的具有可再生性能的静电卡盘成型方法，其特征在于：所述表面清洁处理采用5％浓度的过氧化氢溶液或氢氧化铵溶液。
9.根据权利要求7所述的具有可再生性能的静电卡盘成型方法，其特征在于：所述标记的步骤包括涂胶、曝光、显影、烘干、刻蚀形成印花。
10.根据权利要求7所述的具有可再生性能的静电卡盘成型方法，其特征在于：所述喷砂的步骤采用重力落料式多次喷砂，空气压力为0.5MPa，采用碳化硅或金刚砂，砂子目数为800-1200目。
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| WO2023153676A1 (ko) * | 2022-02-08 | 2023-08-17 | (주)아이씨디 | 정전 장치 및 그 동작 방법 |
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