文章來源：芯云知

原文作者：Crane

在刻蝕機中，如果晶圓不能在托盤上平整放置，則會造成刻蝕離子的轟擊產生角度，同時，刻蝕時晶圓的散熱情況也會嚴重影響刻蝕速率。為了解決這些問題，工程師們開發了靜電吸盤（Electrostatic Chuck），極大地提高了刻蝕質量和穩定性。通過總結，靜電吸盤的實現可以分為以下三個設計。

設計1：靜電吸盤的結構

常規靜電吸盤的實物圖可以如圖1左所示，區別在于靜電吸盤表面的絕緣層材料不同，深色為氮化鋁，白色為氧化鋁，靜電吸盤的結構可以參考圖1右，分為以下部分：

絕緣層：用于與晶圓的接觸，通常為氮化鋁或者氧化鋁陶瓷，因為其具有良好的機械強度、耐高溫性和導熱性。

頂針及He氣孔：頂針用于晶圓的傳送，當晶圓進入刻蝕腔中時，頂針升起承接晶圓，然后頂針落下，將晶圓置于靜電吸盤表面。并且，頂針通常為中空結構，同時通入He氣來使晶圓降溫。

背He流道：用于增強散熱，以及反饋晶圓的吸附情況。

靜電電極：用于產生靜電力的電場，吸附晶圓。電極通常為平面狀，嵌入或沉積在絕緣材料中。常用材料包括鋁、銅和鎢等導電性良好的金屬。

循環冷卻水和加熱電極：主要用于靜電吸盤整體的溫度控制，加熱電極和循環冷卻水的同時作用，使晶圓可以保持在一個穩定的溫度。如果采用單一的冷卻循環水，則刻蝕過程中產生的熱量無法計算，影響工藝的穩定性。

圖1

設計2：利用直流電壓產生電場使晶圓電荷極化，吸附晶圓

靜電吸盤的電極設計可以分為兩種（如圖2所示），一是單電極，即整個鋪滿于靜電吸盤，二是雙電極，正電壓和負電壓形成的電場來吸附晶圓，想比單電極，雙電極具有更高的吸附力，以及更均勻的電場強度，使晶圓緊密且均勻的吸附。那么電極是如何吸附晶圓的，其原理可以參考如下：

圖2

當直流電源施加電壓于靜電吸盤的電極時，電極之間形成電場。這個電場在絕緣層和陶瓷吸附表面之間傳播，并延伸到晶圓背面。電場會導致晶圓表面的電荷重新分布或極化，如果是摻雜的硅晶圓，自由電荷在電場的作用下移動，正電荷向負極移動，負電荷向正極移動，如果是未摻雜的或者絕緣晶圓，電場引起分子內電荷的微小位移，形成電偶極子。最終，在靜電力的作用下，將晶圓牢固的吸附在吸盤上，靜電吸附力的大小可以通過庫侖定律和電場強度來近似計算。假設晶圓和吸盤間的電場是均勻的，靜電力 F可以表示為：

其中， ?0是真空電容率（8.85×10-12 F/m），?r 是介電常數取決于絕緣層材料，E 是電場強度，等于施加電壓V除以絕緣層厚度d ：，A是電極的有效面積。

設計3：使用He氣作為背冷氣體，并通過穩定氣壓下He氣的流量反應晶圓的散熱情況

1. 為什么選擇He氣而不是其他氣體？

高導熱性：氦氣具有非常高的熱導率，約為156.7 mW/m·K（在室溫下），遠高于大多數其他氣體（如氮氣和空氣）。高導熱性使得氦氣能夠迅速傳遞熱量，確保晶圓在加工過程中溫度的快速均勻分布，從而有效地控制晶圓的溫度。

惰性氣體特性：氦氣是一種惰性氣體，不會與其他物質發生化學反應。使用氦氣作為冷卻氣體，不會引起晶圓材料或工藝過程中其他材料的化學反應，避免了可能的污染和反應副產物。

小分子尺寸：氦氣的分子直徑非常小，使其能夠輕易地通過微小的通道和間隙。這有助于氦氣均勻地分布在晶圓和吸盤之間的微通道中，確保整個晶圓背面的冷卻效果。

低粘度：氦氣具有較低的粘度，意味著它能夠以較高的流速通過微通道系統，進一步提高熱傳導效率。低粘度還減少了氣體流動的阻力，使冷卻系統運行更加高效。

安全性：氦氣是一種無毒、無色、無味的氣體，具有很高的安全性。即使在高溫或真空環境中，氦氣的使用也不會對操作人員或設備產生危害。

均勻冷卻：氦氣能夠在晶圓背面形成均勻的氣體層，提供均勻的冷卻效果，避免了局部熱點。

低粘度和高流動性：氦氣的低粘度和高流動性使其能夠快速響應溫度變化，提供穩定的溫度控制。

2. 如何反應晶圓的散熱情況？

He氣在靜電吸盤和晶圓背面的流通可以分為兩個部分（如圖3），一部分通過靜電吸盤表面層下的微流道流動（不直接接觸晶圓）且循環流通，用于增強散熱和控制ESC的氣壓，第二部分通過頂針孔或者靜電吸盤表面的孔流動至晶圓背面，用于晶圓的散熱以及晶圓吸附情況的反饋。通過二者的共同作用，最終實現在氣壓一定的條件下通入He氣，如果He氣流量穩定，則說明晶圓的吸附情況良好，如果He流量遠高于正常值，則說明晶圓背面的透氣孔有明顯的泄露，對應晶圓未平整吸附與吸盤表面，進一步影響刻蝕。

圖3