深硅刻蚀晶圆位置偏移分析与研究

晶圆位置偏移过大是导致深硅刻蚀设备发生传片报警问题的主要原因之一,尤其是在采用静电卡盘的设备中。阐述了晶圆位置发生偏移原因,重点研究了解吸附配方、顶针驱动和片间清洗方案。研究表明,静电吸盘的表面聚合物残留是导致静电释放不充分的主要因素,表面聚合物的清除有助于优化晶圆位置偏移。电动三针在固有残留静电力的情况下,通过缓慢连续升针方案缓解了跳片现象。优化片间清洗方案大幅减小表面聚合物残留。实验结果表明:优化后的解吸附配方为工艺时长90 s、电极功率1000 W、气压20 mTorr(1 mTorr≈0.133 Pa)、氩气体积流量250 mL/min,电动三针接触晶圆前、接触中、脱离静电吸盘后的升针速度分别为3、2和6 mm/s,在上述工艺条件下,通过进一步优化片间清洗方案,使得晶圆位置偏移量从初始的2~6 mm降至0.2 mm以内。

干法刻蚀中晶圆表面温度控制研究

干法刻蚀工艺中,晶圆温度会直接影响刻蚀速率、刻蚀均匀性及刻蚀形貌,从而对最终的器件性能产生影响。对干法刻蚀过程中会对晶圆温度产生影响的若干因素进行了研究,并通过实验确认了不同因素对晶圆温度的影响趋势及范围,为工程应用提供一定参考。通过实验,确认了静电吸盘的夹持电压及氦压、射频源功率、下电极温度及晶圆本身都会对刻蚀过程中的晶圆温度产生一定影响,其中静电吸盘的夹持电压及氦压对晶圆温度影响最大,晶圆翘曲、下射频源功率次之,上射频源功率、下电极冷却温度对晶圆温度影响基本相当,影响程度最小。

Finite element analysis on factors influencing the clamping force in an electrostatic chuck

As one of the core components of IC manufacturing equipment, the electrostatic chuck （ESC） has been widely applied in semiconductor processing such as etching, PVD and CVD. The clamping force of the ESC is one of the most important technical indicators. A multi-physics simulation software COMSOL is used to analyze the factors influencing the clamping force. The curves between the clamping force and the main parameters such as DC voltage, electrode thickness, electrode radius, dielectric thickness and helium gap are obtained. Moreover, the effects of these factors on the clamping force are investigated by means oforthogonal experiments. The results show that the factors can be ranked in order of voltage, electrode radius, helium gap and dielectric thickness according to their importance, which may offer certain reference for the design of ESCs.

A novel measuring method of clamping force for electrostatic chuck in semiconductor devices

Electrostatic chucks are one of the core components of semiconductor devices. As a key index of electrostatic chucks, the clamping force must be controlled within a reasonable range. Therefore, it is essential to accurately measure the clamping force. To reduce the negative factors influencing measurement precision and repeatability, this article presents a novel method to measure the clamping force and we elaborate both the principle and the key procedure. A micro-force probe component is introduced to monitor, adjust, and eliminate the gap between the wafer and the electrostatic chuck. The contact force between the ruby probe and the wafer is selected as an important parameter to characterize de-chucking, and we have found that the moment of de-chucking can be exactly judged. Moreover, this article derives the formula calibrating equivalent action area of backside gas pressure under real working conditions, which can effectively connect the backside gas pressure at the moment of de-chucking and the clamping force. The experiments were then performed on a self-designed measuring platform.The de-chucking mechanism is discussed in light of our analysis of the experimental data. Determination criteria for de-chucking point are summed up. It is found that the relationship between de-chucking pressure and applied voltage conforms well to quadratic equation. Meanwhile, the result reveals that actual de-chucking behavior is much more complicated than the description given in the classical empirical formula.

库仑型静电卡盘吸附力受电极结构及晶圆氧化层影响的研究

静电卡盘是半导体领域中关键器件,主要起到支撑固定晶圆的作用。文章利用麦克斯韦仿真软件计算了静电卡盘工作时,电极周围电压分布,得到了电极边缘效应小于4%,电极边缘效应对吸附力的影响可以忽略不计的结论;并依据等效电容的方法建立了计算库仑型静电卡盘吸附力的仿真模型。研究搭建了真空腔室,并依据气体背吹法,测试了两款具有不同电极结构的静电卡盘的吸附力,以及静电卡盘对不同材料晶圆的吸附力。实验与仿真的结果表明,库仑型静电卡盘吸附力的大小与电极面积成正比,电极结构几乎不会影响静电卡盘的吸附力;相同吸附电压下,对于背面氧化层厚度在500 nm以内的晶圆来说,晶圆的氧化层对库仑型静电卡盘吸附力的影响低于2%,可以忽略。文章的研究对库仑型静电卡盘的设计及优化具有重要指导意义。为半导体设备的发展提供重要的理论基础。

晶圆材料对J-R型静电卡盘吸附力影响的研究

静电卡盘是半导体以及光学设备中关键器件之一,主要起到固定衬底快速加热的作用。本研究中搭建了真空腔室平台,并依据气体背吹法,测试了约翰逊-拉别克型静电卡盘对不同电压下不同材料晶圆的吸附力。本文通过对氧化层电学性质及静电卡盘凸点结构的研究,得出静电卡盘对具有氧化层晶圆的吸附力来自于静电卡盘表面电荷与晶圆内硅材料之间吸附力的结论。并且利用等效电容法,建立了计算不同材料晶圆对静电卡盘吸附力影响的仿真模型。通过实验与仿真的结果表明,相同吸附电压下,静电卡盘对具有氧化层晶圆的吸附力大于静电卡盘对纯硅晶圆的吸附力。静电卡盘对晶圆吸附力的大小随着氧化层厚度的增加,先增加后减少。本文的研究对J-R效应理论的完善以及静电卡盘的设计及优化具有重要指导意义。为半导体设备的发展提供重要的理论基础。

凸点结构及电学性能对J-R型静电卡盘吸附力影响的研究

真空静电卡盘是半导体工艺中最重要的元件之一,主要应用于集成电路设备和光学设备,起到承载晶圆或衬底的作用。本文利用物理气相沉积的方法制备了J-R型静电卡盘的凸点结构。本研究中搭建了真空腔室,利用了气体背吹法,测试了不同凸点高度、不同吸附电压下约翰逊-拉别克型静电卡盘的吸附力。利用等效电容法,建立了计算凸点电学性能、结构尺寸对静电卡盘吸附力影响的仿真模型。通过仿真计算对吸附力大小的研究表明,由于接触电阻相对较低,文中方法制备的J-R型静电卡盘凸点结构几乎不对硅晶圆产生吸附力。并且随着凸点高度及凸点面积占比增加,静电卡盘对硅晶圆的吸附力降低,同时凸点表面形貌几乎不影响凸点吸附力。本文的研究对J-R效应理论的完善以及静电卡盘的设计具有重要指导意义,为半导体设备的发展提供重要的理论基础。

Design space of electrostatic chuck in etching chamber

One of the core semiconductor devices is the electrostatic chuck. It has been widely used in plasma- based and vacuum-based semiconductor processing. The electrostatic chuck plays an important role in adsorbing and cooling/heating wafers, and has technical advantages on non-edge exclusion, high reliability, wafer planarity, particles reduction and so on. This article extracts key design elements from the existing knowledge and techniques of electrostatic chuck by the method proposed by Paul and Beitz, and establishes a design space systematically. The design space is composed of working objects, working principles and working structures. The working objects in- volve electrostatic chuck components and materials, classifications, and relevant properties; the working principles involve clamping force, residual force, and temperature control; the working structures describe how to compose an electrostatic chuck and to fulfill the overall functions. The systematic design space exhibits the main issues during electrostatic chuck design. The design space will facilitate and inspire designers to improve the design quality and shorten the design time in the conceptual design.

中心组合设计法在静电吸盘绝缘层结构优化中的应用

为研究等离子体刻蚀中静电吸盘绝缘层结构对晶圆温度分布均匀性影响,建立了晶圆与静电吸盘三维传热模型,采用中心组合设计方法分析了晶圆半径、进气带半径、进气孔半径、槽道深度、粗糙度最大轮廓五个结构变量对均匀性的影响,得到结构变量与均匀性的二次响应面方程。采用自适应进化算法对响应面方程优化,结果表明进气孔半径、槽道深度、粗糙度最大轮廓是最显著影响因素,响应面计算结果与仿真结果一致,该方法可用于静电吸盘的设计研发。

静电卡盘与晶圆之间的接触热阻研究

在等离子体刻蚀工艺中,晶圆的温度控制是关键的技术之一。控制晶圆温度的主要部件即是静电卡盘,因此静电卡盘与晶圆之间的接触热阻研究至关重要。晶圆是依靠静电而吸附在静电卡盘表面的,且粗糙接触面之间充有稀薄的氦气。本文将静电吸附的因素引入到经典的接触传热理论中,建立了静电卡盘与晶圆之间的接触传热模型,并研究了静电电压和气体压强对于接触传热系数的影响。此外,本文结合作者先前研究中建立并得到验证的全范畴气体导热模型,对静电吸附作用下的接触导热和稀薄气体条件下的气体导热进行了对比,得到了接触导热对总的导热效果的贡献比例。本文的研究有助于揭示静电卡盘和晶圆之间的传热机理,以及二者之间接触热阻的计算。

中能离子注入机用静电吸盘

简要介绍了静电吸盘的工作原理,理论分析了六相静电吸盘的工作模式,对静电吸盘进行了结构设计和制作工艺研究,并对静电吸盘的工艺性能尤其是静电吸盘在不同压力的氮气冷却性能进行了研究。实验结果表明,静电吸持电压的频率为30 Hz时最佳,这时电压一般为0.5 kV^1 kV,所需电源的功率较小。

晶圆在静电卡盘上位置出现偏移的原因及改善方法

静电卡盘被广泛用作物理气相沉积晶圆承载台。静电卡盘可利用静电吸力将晶圆固定在静电卡盘上防止晶圆在工艺过程中出现位置偏移。在机台实际生产过程中,机台时常出现因晶圆位置偏移过大导致晶圆传送报警。实验表明:通过延长晶圆静电释放时长,减小3根晶圆顶针的高度差和降低晶圆与3根顶针的接触速度,对因静电释放不完全造成的晶圆位置偏移问题有明显的改善。

静电卡盘与晶圆之间稀薄气体传热的影响因素

通过在晶圆背面填充稀薄气体的方式来对晶圆进行冷却或加热是等离子体刻蚀工艺中的一项关键技术。该文对晶圆与静电卡盘之间的稀薄气体传热问题进行了解析建模,给出了一个适用于整个气压范围的气体导热解析表达式,并用直接模拟Monte Carlo方法验证了其准确性。基于该解析模型,还对气体压强、狭缝距离、热适应系数和气体温度等影响传热系数的参数进行了研究,发现狭缝距离和气体温度对传热系数影响较弱,即静电卡盘表面形貌(如凸台高度等)和刻蚀温度对于静电卡盘与晶圆之间的传热效果影响不大;而气体压强和热适应系数都表现出对传热系数有明显的影响。因此,在实际的刻蚀工艺中,可以通过调节气体压强来改变静电卡盘与晶圆之间的传热效果。