陶瓷静电吸盘:这种“卡脖子”的半导体零部件到底是如何生产的?

发布时间 | 2024-04-03 17:47 分类 | 粉体加工技术 点击量 | 331
干燥 碳化硅 氮化铝 氧化铝
导读:目前全球半导体晶圆静电吸盘市场由SHINKO(新光电气)、TOTO、NGK、京瓷等日本企业高度垄断,我国静电吸盘行业发展时间较短,尚处于起步阶段。当前,除了需要进一步开发更高纯度、更高性能的原...

从PC+互联网时代到移动+社交媒体时代,再到未来的AI+大数据时代,为了迎合系统需求不断增长且呈现多样化的趋势,晶圆级封装技术正朝着高密度、超薄、超小和更高性能的方向不断突破,与此同时,对超薄器件晶圆的夹持问题也提出了新的需求和挑战。

传统的晶圆夹持方法包括传统机械工业常采用的机械夹持、石蜡粘结等方法,容易对晶圆造成损伤,同时很容易使晶圆翘曲,并污染晶圆,对其加工精度有很大影响,后来逐渐发展出利用多孔陶瓷制备成的真空吸盘,然而,由于真空吸盘是利用硅片与陶瓷表面形成负压而吸附晶圆的,容易使晶圆产生局部变形而影响平整度,因此近年来,具有稳定均匀吸附力,不会对晶圆产生污染且可对硅片温度进行有效控制的陶瓷静电吸盘逐渐成为超薄晶圆理想的夹持工具。

来源:日本特殊陶业株式会社(NTK)

静电吸盘是如何工作的?

一般来说,陶瓷静电吸盘主要由电介质吸附层、电极层和基底层这三部分以层状结构由表向里堆叠而成,电介质吸附层位于表面,用于实现高效吸附。电极层则位于中间,通过加上正电压或负电压,形成静电场,基底层则起到支撑和固定作用。除此之外,在静电吸盘内部还可镶嵌电极柱、气体通道、粘结材料等辅助结构,其中气体可在工作时通入He气,通过气体循环流动进行热传递,从而稳定控制wafer的温度。


静电吸盘结构(来源:Shinko官网)

根据电介质吸附层是否为掺杂电介质,静电吸盘可分为库伦类和迥斯热背(JR)类,纯电介质(高阻抗陶瓷材料)做成的吸盘为库仑类,而掺杂电介质(如掺杂了氧化钛(TO2)等物质的陶瓷材料,属于半导体)做成的吸盘为迥斯热背(JR)类。两者的吸附原理大差不差,都是利用接通直流电源后,在电极层形成的静电场,使电介质层表面产生与晶片表面电荷极性相反的电荷,而将晶片吸附。不过,JR类静电吸盘由于电介质有一定导电性,除了会产生极化电荷,还有很大部分自由电荷,因此JR类吸盘的吸力比库仑类吸盘大,可在较小的电压下实现吸附,但在解吸阶段,由于JR类吸盘表面自由电荷的存在,除了关掉高压直流电源,通常需要用反向的静电压来强制消除残留电荷,然后才能使晶片解吸,在一定程度上增加了控制的难度和复杂性。


库伦型和JR型静电吸盘区别

静电吸盘是如何生产的?

1、材料的选择

对比金属材料,陶瓷材料不仅耐磨不掉屑,避免了晶片污染的风险,还在电绝缘性方面有着先天的优势,因此静电吸盘技术主要是以氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷作为主体材料。一般来说,对于普通的硅晶圆加工,采用高纯氧化铝作为材料即可满足需求,但对于碳化硅晶圆加工,则需要采用氮化铝材质的静电吸盘。


来源:日本特殊陶业株式会社(NTK)

氮化铝的导热性能(理论上可达320W/(m·K))、与电极材料热膨胀系数的匹配度、绝缘性以及相关机械性能都要优于氧化铝,不仅可以在等离子卤素真空气氛环境下能持久运行,承受半导体及微电子最苛刻的制程环境,还可以通过控制其体积电阻率,提供更稳定充分的吸附力和更良好的温度控制,有望逐渐对氧化铝陶瓷的静电卡盘实现替代,是未来静电吸盘的主要发展方向。但在制备工艺上,由于氮化铝熔点更高,原子自扩散系数小,因此,纯AlN陶瓷很难烧结致密化,往往需要烧结温度高达1800℃以上,不仅对烧结设备要求较高,还需要选择合适的烧结工艺、气氛以及烧结助剂来提升烧结性能,工艺较复杂。

2、生产路线

由于静电吸盘是在陶瓷圆盘中嵌入了至少一个电极,为了实现电极材料与陶瓷材料的一次性烧成,一般采用多层陶瓷共烧技术制备,包括流延、 切片、丝网印刷、叠片、热压、烧结等工序。


多层共烧陶瓷技术流程图

①流延切片:

库伦型静电吸盘的电介质层无掺杂导电材料,可将陶瓷粉料、溶剂、分散剂、粘结剂、增塑剂、烧结助剂等成分混合制备成稳定浆料后,在流延机上经刮刀涂覆、干燥、切片制得一定厚度的陶瓷生坯。而JR型静电吸盘则还需另外添加一定的调阻剂(导电材料)将 J-R 层电阻至功能所需范围,再进行流延成型制备成生坯。

流延机

来源:王平.高纯氧化铝基板的制备要点与宇航应用验证实践.

②丝网印刷:

丝网印刷主要是用于电极层的制备。在印刷过程中,首先将导电浆料倒在丝网印版的一端,之后在丝网印刷机刮刀的作用下,导电浆料透过丝网印版的网孔处沉积到基底上,当印刷刮刀刮过整个丝网印版并保证银浆填满丝网孔后,即可完成一个印刷流程。

③叠片热压:

将生瓷片按照需要的次序(基底层、电极层、电介质层)及层数一次叠放好,之后在特定的温度及压力下使多层生瓷片连接在一起从而形成所需的完整生坯。需要注意的是,在层压过程中,应使产生的压力均匀的分布在整个生坯表面,保证受压后整个生坯收缩均匀。

④共烧:

最后将完整生坯放置于烧结炉中进行一体化烧结。在此过程中,需要制定好适合的升降温曲线,以确保烧结过程中的平整度及收缩率的控制。据了解,日本NGK在烧结过程中,可以将粉体烧结过程中的收缩率控制在10%左右,而国内绝大部分厂家烧结的收缩率仍大于等于20%。

小结

目前全球半导体晶圆静电吸盘市场由SHINKO(新光电气)、TOTO、NGK、京瓷等日本企业高度垄断,我国静电吸盘行业发展时间较短,尚处于起步阶段。当前,除了需要进一步开发更高纯度、更高性能的原料陶瓷粉以及更高效稳定的生产工艺外,还需要考虑各种特定应用场景的需求对结构进行优化设计,满足承载晶圆规格尺寸逐步增大、温度均匀性控制需求的提升。

 

参考来源:

1、[1]牛晨旭. J-R型氮化铝陶瓷静电吸盘的设计与制造[D].华中科技大学.

2、山云资本,山云笔记:半导体核心零部件必攻克的一关:静电吸盘丨半导体小组;

3、 芯爵ChipLord,ETCH设备之静电吸盘(ESC)介绍;


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作者:粉体圈

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