CN114959547A - 提高静电卡盘的电介质层的致密性的工艺、静电卡盘的制备工艺、静电卡盘 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高静电卡盘的电介质层的致密性的工艺、静电卡盘的制备工艺、静电卡盘，本发明的提高静电卡盘的电介质层的致密性的工艺是利用激光在电介质层的表面匀速扫描并使电介质层熔融，激光对电介质层的表面的扫描具有至少一次扫描循环，在每个扫描循环内，激光的扫描轨迹在电介质层的表面均匀分布。利用本发明的静电卡盘的制备工艺可提高静电卡盘表面陶瓷皮膜的致密性，从而增加静电卡盘抗等离子侵蚀的性能，有效延长静电卡盘的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种提高静电卡盘的电介质层的致密性的工艺、静电卡盘的制备工艺、静电卡盘。
背景技术
静电卡盘是芯片和LCD/OLED面板加工设备中的核心部件之一，广泛用于干刻、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、离子注入等工序，其主要功能是通过静电吸附力将晶圆/玻璃基板固定，以对其进行加工。
目前，静电卡盘的常见结构如图1所示，表面是一个电介质层4，往下是一个电极层3，再往下是一个下层绝缘层2，然后是用于支撑以上所述各层的金属基材层1。使用时，将晶圆/玻璃基板放置在表面的电介质层4上，接着在电极层3上通过导电棒5加一个直流电压，从而在电极层3和晶圆/玻璃基板之间产生极性相反的电荷以产生吸附力。
在静电卡盘的结构中，表面的电介质层是最核心的部分，其除了作为电极层和晶圆之间的电介质以外，还起到保护下面的电极层和基材的作用。目前制作电介质层的工艺比较多，其中大气等离子熔射制备电介质层的加工效率和成本具有较大优势，因而在行业中应用较为普遍。
但是，目前，在利用大气等离子熔射的方法制作的电介质层普遍存在致密性较差的缺陷。电介质层所使用的材料以Al2O3陶瓷为主，经过等离子熔射形成的Al2O3陶瓷皮膜的孔隙率一般都在3％-5％左右。由于静电卡盘的往往是在具有较高侵蚀性的等离子环境中使用，因而，当电介质层中存在孔隙时，等离子体中活性原子/离子容易通过这些孔隙到达金属基材层，因此对金属基材层造成侵蚀，并且会出现电介质层的剥离等问题。此外，在Al2O3陶瓷皮膜的孔隙率较高时，在长时间使用的过程中，表面Al2O3陶瓷皮膜会由于晶圆与之摩擦，产生一定的微颗粒。
目前，为了增加电介质层的致密性，通常会采用在电介质层中填充高分子物质的方法，但填充的高分子物质通常不耐高温，由此，造成静电卡盘的使用温度的局限较大，往往只能在在较低温度(150℃以内)下使用。
发明内容
为克服上述缺点，本发明提供了一种提高静电卡盘的电介质层的致密性的工艺，其可提高静电卡盘表面陶瓷皮膜的致密性，从而增加静电卡盘抗等离子侵蚀的性能，有效延长静电卡盘的使用寿命。
为了达到以上目的，本发明提供了一种提高静电卡盘的电介质层的致密性的工艺，其包括如下步骤：
利用激光在电介质层的表面匀速扫描并使电介质层熔融，激光对电介质层的表面的扫描具有至少一次扫描循环，在每个扫描循环内，激光的扫描轨迹在电介质层的表面均匀分布。本发明利用激光对电介质层表面进行熔融处理后，能有效改善电介质层的孔隙形成率，通过控制激光扫描轨迹在电介质层表面的均匀分布，能使对电介质层的熔融处理后的表面平整度高，熔融处理效果均匀，电介质层结构均一，无孔隙。
进一步的，所述激光的光斑焦点直径为a mm，激光的任意两条相邻的扫描轨迹之间的间隔为b mm,b≤3*a,激光的扫描速度为c mm/s,c≥4*b。因而，通过将相邻的扫描轨迹之间的间隔与激光的光斑焦点的直径的设置的比例关系，能确保对电介质层的熔融效果均匀。
更进一步的，a为0.2±0.05mm，b为0.5±0.1mm，c为2.5±0.5mm/s。
更进一步的，所述激光的发射设备为电激励横流CO2激光器。
进一步的，激光在N2保护气体的环境中进行扫描，在对电介质层进行激光扫描时，还包括对静电卡盘的冷却步骤，在冷却时利用压缩空气进行冷却处理。因而，能够避免在进行激光熔融处理时，温度过高而对静电卡盘的结构造成破坏。
进一步的，每个所述扫描循环的扫描轨迹可以为蛇形、相互平行的直线状或弯曲形状一致的曲线状中的至少一种。
本发明还提供了一种静电卡盘的制备工艺，其包括如下步骤：
金属基材的制备步骤；
安装供电棒步骤：将供电棒贯穿所述金属基材并预留伸入电介质层的端部，供电棒采用耐高温的金属材质；
对金属基材表面的喷砂处理步骤；
熔射下层绝缘层的步骤：在喷砂后的基材上采用大气等离子熔射制作下层绝缘层，所述下层绝缘层为陶瓷材质；
熔射制作电极层步骤：在下层绝缘层上采用大气等离子熔射电极层；
熔射制作电介质层步骤：在电极层上采用大气等离子熔射制作电介质层，电解质层为耐高温的陶瓷材质；
电介质层的再熔融步骤：所述电介质层的再熔融步骤采用前面所述的提高静电卡盘的电介质层的致密性的工艺。
进一步的，在所述金属基材的制备步骤中，金属基材选自铝合金、钛合金或不锈钢中的任意一种；
在所述安装供电棒步骤中，供电棒的材质选自钛、钼、钨中的任意一种；
在所述对基材表面的喷砂处理步骤中，喷砂压力为0.4-0.8MPa，砂材为40#-100#白刚玉，喷砂后的表面粗糙度为2-10μm；
在所述熔射下层绝缘层的步骤中，所述下层绝缘层的材质选自99.9％以上的氧化铝、氧化钇、氟氧化钇中的任意一种，厚度为100-1000μm；
在所述熔射制作电极层步骤中，电极层材质选自钨、钼中的任意一种，厚度为20-100μm；
在所述熔射制作电介质层步骤中，电介质层厚度为100-1000μm，电介质层的材质选自纯度99.9％以上的氧化铝、氧化钇、氟氧化钇中的任意一种，体电阻率为1011Ω-cm以上。利用本发明的工艺制备得到的静电卡盘的致密性得到有效提升，并在一定程度上增加了电介质层的表面的硬度以及耐磨性，从而使静电卡盘在芯片的加工过程中不易产生颗粒物，有效延长静电卡盘的使用寿命。
进一步的，在进行电介质层的再熔融步骤之前，还包括对电介质层进行研磨抛光的步骤，将电介质层加工至粗度Ra0.2μm以下。
本发明还提供了一种静电卡盘，其包括从下到上依次设置的金属基材层、下层绝缘层、电极层和电介质层，还包括贯穿所述金属基材层和下层绝缘层并与所述电极层连接的导电棒，在所述电介质层的远离所述电极层的一侧还设置有再熔融层，所述再熔融层为对电介质层经过熔融后得到，所述再熔融层的厚度为5-10μm。
附图说明
图1为本发明背景技术中的静电卡盘的剖视结构示意图；
图2为本发明实施例一的激光的移动轨迹示意图；
图3为本发明施例一的设置激光光源的腔体的结构示意图；
图4为未对电介质层进行熔融处理的扫描电镜图；
图5为对电介质层进行熔融处理后的扫描电镜图；
图6为本发明施例二的静电卡盘的剖视结构示意图。
图中：
1、金属基材层；2、下层绝缘层；3、电极层；4、电介质层；5、导电棒；6、再熔融层；7、腔体；71、氮气入口；72、通孔；8、光源；9、激光的照射区域。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
实施例一：
本实施例为一种静电卡盘的制备工艺，其包括如下步骤：
S1：金属基材的制作步骤：根据尺寸要求制作金属基材。金属基材的材料可以是铝合金、钛合金、不锈钢等金属材料，但不可以是具有磁性的金属，以防止基材对半导体设备中磁场的产生影响。在本发明的一些实施方式中，金属基材的材料为铝6061，其也可以为其他铝基材或是其他金属基材。
S2：安装供电棒步骤：将供电棒贯穿金属基材并预留能与后续制作的电极层导通的端部。供电棒的材质优选为钛、钼、钨等耐高温的金属，在本发明的一些实施方式中，供电棒的材料为钛。
S3：对金属基材表面的喷砂处理步骤；通过对金属基材进行喷出处理可以增加后续等离子熔射时所形成的涂层的附着力。喷砂压力为0.4-0.8MPa，砂材为40#-100#白刚玉，喷砂后的表面粗糙度为2-10μm；在本发明的一些实施方式中，喷砂压力为0.6MPa，砂材为60#白刚玉，喷砂后的表面粗糙度为4-5μm。
S4：熔射下层绝缘层的步骤：在喷砂后的金属基材的上表面采用大气等离子熔射制作下层绝缘层。绝缘层的材质选自99.9％以上的氧化铝、氧化钇、氟氧化钇等耐电压性能优异的陶瓷，厚度为100-1000μm。在本发明的一些实施方式中，下层绝缘层的材料为99.9％以上的氧化铝，厚度为500μm。
在步骤S1-S4中所采用的等离子熔射设备为METCO F4等离子熔射设备。
S5：熔射制作电极层步骤：在下层绝缘层上采用大气等离子熔射电极层，电极层的材质可以为钨、钼等耐高温耐氧化的材料，厚度为20-100μm。在本发明的一些实施方式中，电极层材料为钨，厚度为50μm。
S6：熔射制作电介质层步骤：在电极层上采用大气等离子熔射制作电介质层，电介质层的厚度为100-1000μm，电介质层的材料为纯度99.9％以上的氧化铝、氧化钇、氟氧化钇等陶瓷，体电阻率在1011Ω-cm以上，在本发明的一些实施方式中，电介质层厚度在500μm，电介质层材料为纯度99.9％以上氧化铝。
S7：对静电卡盘精加工以达到所要求的尺寸，并形成所需的表面结构。
S8：对电介质层进行研磨抛光的步骤：将电介质层加工至粗度Ra0.2μm以下。
S9：电介质层的再熔融步骤。
利用激光在电介质层的表面匀速扫描并使电介质层熔融，激光对电介质层的表面的扫描具有至少一次扫描循环，在每个扫描循环内，激光的扫描轨迹在电介质层的表面均匀分布。
在本发明的一些实施方式中，每个扫描循环的扫描轨迹可以为蛇形、相互平行的直线状或弯曲形状一致的曲线状中的至少一种。以激光在电介质层上表面的扫描轨迹为相互平行的直线为例进行说明，为了确保激光对电介质层的熔融均匀，应使得各个相互平行的移动轨迹之间的间隔保持一致。参见附图2(a)所示，激光的移动轨迹为蛇形，由此，在电介质层的表面形成若干相互平行的轨迹，且相邻的轨迹之间的间距一致。
激光在电介质层表面的移动速度也需要与激光的光斑焦点的尺寸相匹配，由此才能确保熔融后的电介质层的表面具有足够的光滑度。在本发明的一些实施方式中，激光的光斑焦点直径为a mm，激光的任意两条相邻的扫描轨迹之间的间隔为b mm,b≤3*a,激光的扫描速度为c mm/s,c≥4*b。
在本发明的一些其他可能的实施方式中，产生激光的设备为电激励的横流CO2激光器，激光功率为20W，光斑焦点尺寸的直径a为0.2mm，扫描速度c为2.5mm/s，间隔b为0.5mm。在本发明的一些实施方式中，对静电卡盘表面的扫描循环为扫描2次，也即激光对电介质层表面进行2次扫描，且每次扫描都能确保扫描轨迹在静电卡盘的表面均匀分布。也可以根据需要，增加或减少扫描循环的次数。在对静电卡盘进行多次扫描时，每次扫描的轨迹可以为一致的，也可以不一致。每个扫描循环的扫描轨迹可以相互重合也可以交叉或相互平行设置(参见附图2(b))，只需确保扫描轨迹在电介质层表面的均匀分布即可。
在本发明的一些实施方式中，激光在氮气保护气体的环境中进行扫描。参见附图3所示，将激光的光源8设置于一个腔体7内，在腔体的下表面设置有供激光射出的通孔72，腔体的侧壁的上部区域设置有氮气入口72，图中9的区域为激光光束的照射区域。在对电介质层进行激光熔融处理时，将整个腔体7同步移动。由此，在氮气保护下，能确保对电介质层具有更均匀的熔融效果，且能减少电介质层中间形成缝隙和气泡。
在对电介质层进行激光扫描时，还包括对静电卡盘的冷却步骤，在冷却时利用0.5MPa的压缩空气对静电卡盘的远离电介质层的一侧进行冷却处理，因而，能有效避免对电介质层进行熔融时温度过高，使得经处理后的电介质层的孔隙得到明显的改善。
将利用本实施例的工艺制备得到的静电卡盘与未进行电介质层的再熔融步骤进行处理得到的静电卡盘的电介质层的断面进行显微镜观察，其结果如图4和5所示，由此可见，利用本发明的方法得到的静电卡盘的电介质层的孔隙和裂缝明显减少。通过对表面粗糙度(5点平均值)进行测定，在进行再熔融处理步骤前，电介质层的表面粗糙度Ra为0.18μm，表面硬度为HV600；经过再熔融处理步骤后，电介质层的表面粗糙度Ra降至0.12μm，而表面硬度也增加至HV720左右。
实施例二：
本实施例为一种静电卡盘(参见附图6所示)，其包括从下到上依次设置的金属基材层1、下层绝缘层2、电极层3和电介质层4，还包括贯穿金属基材层1和下层绝缘层2并与电极层3连接的导电棒5，在电介质层的远离电极层的一侧还设置有再熔融层，再熔融层6为对电介质层4经过熔融后得到。在本发明的一些实施方式中，电介质层4的厚度为500μm，再熔融层6的厚度为5-10μm。
以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种提高静电卡盘的电介质层的致密性的工艺，其特征在于，包括如下步骤：
利用激光在电介质层的表面匀速扫描并使电介质层熔融，激光对电介质层的表面的扫描具有至少一次扫描循环，在每个扫描循环内，激光的扫描轨迹在电介质层的表面均匀分布。
2.根据权利要求1所述的提高静电卡盘的电介质层的致密性的工艺，其特征在于，所述激光的光斑焦点直径为a mm，激光的任意两条相邻的扫描轨迹之间的间隔为b mm,b≤3*a,激光的扫描速度为c mm/s,c≥4*b。
3.根据权利要求2所述的提高静电卡盘的电介质层的致密性的工艺，其特征在于，a为0.2±0.05mm，b为0.5±0.1mm，c为2.5±0.5mm/s。
4.根据权利要求3所述的提高静电卡盘的电介质层的致密性的工艺，其特征在于，所述激光的发射设备为电激励横流CO2激光器。
5.根据权利要求1所述的提高静电卡盘的电介质层的致密性的工艺，其特征在于，激光在N2保护气体的环境中进行扫描，在对电介质层进行激光扫描时，还包括对静电卡盘的冷却步骤，在冷却时利用压缩空气进行冷却处理。
6.根据权利要求1所述的提高静电卡盘的电介质层的致密性的工艺，其特征在于，每个所述扫描循环的扫描轨迹可以为蛇形、相互平行的直线状或弯曲形状一致的曲线状中的至少一种。
7.一种静电卡盘的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：
金属基材的制备步骤；
安装供电棒步骤：将供电棒贯穿所述金属基材并预留伸入电介质层的端部，供电棒采用耐高温的金属材质；
对金属基材表面的喷砂处理步骤；
熔射下层绝缘层的步骤：在喷砂后的基材上采用大气等离子熔射制作下层绝缘层，所述下层绝缘层为陶瓷材质；
熔射制作电极层步骤：在下层绝缘层上采用大气等离子熔射电极层；
熔射制作电介质层步骤：在电极层上采用大气等离子熔射制作电介质层，电解质层为耐高温的陶瓷材质；
电介质层的再熔融步骤：所述电介质层的再熔融步骤采用权利要求1-6中任意一项所述的提高静电卡盘的电介质层的致密性的工艺。
8.根据权利要求7所述的静电卡盘的制备工艺，其特征在于，在所述金属基材的制备步骤中，金属基材选自铝合金、钛合金或不锈钢中的任意一种；
在所述安装供电棒步骤中，供电棒的材质选自钛、钼、钨中的任意一种；
在所述对基材表面的喷砂处理步骤中，喷砂压力为0.4-0.8MPa，砂材为40#-100#白刚玉，喷砂后的表面粗糙度为2-10μm；
在所述熔射下层绝缘层的步骤中，所述下层绝缘层的材质选自99.9％以上的氧化铝、氧化钇、氟氧化钇中的任意一种，厚度为100-1000μm；
在所述熔射制作电极层步骤中，电极层材质选自钨、钼中的任意一种，厚度为20-100μm；
在所述熔射制作电介质层步骤中，电介质层厚度为100-1000μm，电介质层的材质选自纯度99.9％以上的氧化铝、氧化钇、氟氧化钇中的任意一种，体电阻率为1011Ω-cm以上。
9.根据权利要求7所述的静电卡盘的制备工艺，其特征在于，在进行电介质层的再熔融步骤之前，还包括对电介质层进行研磨抛光的步骤，在进行研磨抛光处理时，将电介质层加工至粗度Ra0.2μm以下。
10.一种静电卡盘，其特征在于，包括从下到上依次设置的金属基材层、下层绝缘层、电极层和电介质层，还包括贯穿所述金属基材层和下层绝缘层并与所述电极层连接的导电棒，在所述电介质层的远离所述电极层的一侧还设置有再熔融层，所述再熔融层为对电介质层经过熔融处理后得到，所述再熔融层的厚度为5-10μm。
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