Halfgeleider waferhouder keramische houder

Fountyl Technologies Pte Ltd. is een van de toonaangevende fabrikanten van precisiekeramische onderdelen in Singapore en geniet een goede reputatie in de halfgeleiderindustrie. Volgens het marktonderzoeksrapport van Fountyl kunnen gangbare halfgeleiderhouders in drie categorieën worden ingedeeld:

1. Elektrostatische spankop (E-CHUCK): Voornamelijk gebruikt in vacuümomgevingen.

2. Vacuümspantang: Te gebruiken in gewone omgevingen zonder vacuüm.

3. Bernoulli: Deze wordt vooral gebruikt in vakgebieden zoals zonne-energie.

4. Overige spankoppen:

 

INwerkend principevan Chuck

De waferhouder houdt de wafer vast en positioneert deze door middel van vacuümkracht, elektromagnetische kracht, elektrostatische adsorptiekracht, luchtdruk en mechanische klemkracht. De waferhouder zorgt voor een vlakke positionering van de wafer in de machine door middel van diverse adsorptie- en klemmethoden, waardoor de wafer stabiel gepositioneerd blijft tijdens de verwerking en verwerkingsfouten als gevolg van waferbeweging worden voorkomen. Dit resulteert in een nauwkeurige positionering van de wafers.

I, Elektrostatische spankop(E-Chuck)

De elektrostatische klem is een essentieel onderdeel van halfgeleiderproductieapparatuur en wordt voornamelijk gebruikt om wafers (zoals siliciumwafers) in een vacuüm- of plasmaomgeving te fixeren. De klem maakt gebruik van elektrostatische kracht om de wafers te adsorberen, waardoor problemen zoals deeltjesverontreiniging en ongelijkmatige randen van de wafer, die kunnen ontstaan ​​bij traditionele mechanische klemming of vacuümadsorptie, worden voorkomen.

Het werkingsprincipe van de elektrostatische klem: deze is vergelijkbaar met een condensator met twee geladen platen.

De houder zelf is een elektrode, met een isolerende laag (zoals keramiek) die het oppervlak bedekt. ​​Op dit moment fungeert de wafer als een andere elektrode.

Wanneer een hoge spanning (meestal 3000-4000V) wordt aangelegd, ontstaan ​​er tegengestelde ladingen aan de achterkant van de wafer en het oppervlak van de houder, waardoor een elektrostatische aantrekkingskracht ontstaat die de wafer stevig vastzet.

De elektrostatische houder is geschikt voor ultraschone waferdragers in vacuüm- of plasmaomgevingen. Hij maakt gebruik van de Coulomb-aantrekkingskracht (elektrostatisch adsorptieprincipe) tussen de twee geladen elektroden van de condensator om de wafer vast te zetten.

 

Afhankelijk van de adsorptiemethode en het elektrodeontwerp worden elektrostatische klemmen hoofdzakelijk in twee typen verdeeld: Coulombische ESC en JR ESC.

1) Het Coulomb-type maakt gebruik van sterk isolerende keramische materialen (zoals aluminiumoxide) als diëlektrische laag; het heeft een matige adsorptiecapaciteit en is geschikt voor de meeste ets- en depositieprocessen.

De diëlektrische laag van het oppervlak dat in contact staat met de wafer van de elektrostatische Coulomb-houder is gemaakt van een keramisch materiaal met een hoge impedantie. In deze keramische laag bevindt zich een geleidende elektrodelaag. Wanneer de elektrode is aangesloten op een gelijkstroomvoeding met hoge spanning, worden gepolariseerde ladingen gegenereerd op het oppervlak van het diëlektrische materiaal. De ladingen die zich aan de achterkant van de wafer bevinden, hebben een tegengestelde polariteit ten opzichte van de ladingen op de zuignap, waardoor de wafer door de zuignap wordt vastgehouden. Deze contactloze houdermethode lost diverse problemen op die zich voordoen bij mechanische houders en vacuümadsorptie.

2) Het Johansen-Labek-type (JR ESC), dat gebruikmaakt van halfgeleiderkeramiek (zoals gedoteerd aluminiumnitride), heeft een zekere elektrische geleidbaarheid; het heeft een sterker adsorptievermogen en is geschikt voor processen met hoog vermogen (zoals ionenimplantatie). Wanneer de elektrostatische zuignap gebruikmaakt van een diëlektrische laag als halfgeleidermateriaal, wordt deze een Johansen-Labek elektrostatische zuignap (JR ESC) genoemd. Het diëlektrische oppervlak van de JR-zuignap heeft niet alleen gepolariseerde ladingen, maar ook een groot deel vrije ladingen. Dit komt doordat het diëlektricum van de JR-zuignap een zekere mate van geleidbaarheid heeft.

Over het algemeen is de zuigkracht van de JR-spantang groter dan die van het Coulomb-model.

 

Voorbeeld van een adsorptieproces:

1. Plaats de wafer in de kamer → Oefen hoge druk uit (klemspanning) om de wafer te adsorberen.
2. Door helium (He) toe te voegen, vult het de kleine openingen tussen de wafer en de houder, wat helpt bij de warmteafvoer. Als goede warmtegeleider voert helium de overtollige warmte van de wafer af (de circulatie van het koelmedium vindt plaats binnen de ESC).
3. Proces voltooid → Schakel de spanning uit en de wafer wordt automatisch vrijgegeven.

 

Voordelen van een elektrostatische spankop:

1. Contactloze fixatie → Voorkom beschadiging van het waferoppervlak of verontreiniging door deeltjes;
2. Nauwkeurige temperatuurregeling → Helium geleidt warmte, waardoor een uniforme wafertemperatuur wordt gegarandeerd (binnen ±1℃);
3. Geschikt voor vacuümomgevingen → Kan worden gebruikt in halfgeleiderprocessen zoals etsen en coaten;
4. Vermindert randverlies → Hogere waferbenutting (groter beschikbaar oppervlak aan de rand).

II. Bernoulli Chuck

De Bernoulli-houder is een contactloze waferfixatietechnologie die gebruikmaakt van het drukverschil dat wordt gegenereerd door een hogesnelheidsgasstroom om wafers op te hangen en te fixeren. Het is gebaseerd op het Bernoulli-principe (hoe hoger de luchtstroom, hoe lager de druk), waardoor het fysieke contact dat ontstaat bij traditionele mechanische klemmen wordt vermeden. De houder is daarom geschikt voor zeer nauwkeurige bewerkingsprocessen.

 

Hoe werkt een Bernoulli-spantang?

Hogesnelheidsluchtstraal: het oppervlak van de klem is ontworpen met nauwkeurige porositeit, waardoor de luchtstroom met hoge snelheid wordt bereikt. Lage drukzone: de lucht in de lage drukzone tussen de wafer en de klem, gevormd door de atmosfeer aan de bovenzijde, oefent "druk" uit op de wafer en zorgt voor een stabiele fixatie.

Net als bij hovercrafts, maakt het principe en de ophanging ervan gebruik van luchtvering om wrijving direct te vermijden.

 

Voorbeeld van een werkproces:

1. Luchtstroom start → Hogesnelheidslucht wordt uit de houder geblazen en de wafer wordt "opgetild";
2. Stabiele ophanging → Het drukverschil houdt de wafer op zijn plaats zonder dat deze de houder raakt;
3. Verwerking voltooid → Sluit de luchtstroom af en de wafer valt soepel naar beneden.

 

Voordelen van Bernoulli-zuignappen:

1. Contactloze fixatie: Voorkomt krassen op het waferoppervlak, geschikt voor zeer nauwkeurige optische lenzen en de verwerking van ultradunne wafers;
2. Snel laden en lossen: Geen mechanische klemming nodig, waardoor het laden en lossen van wafers efficiënter verloopt en de productie-efficiëntie verbetert;
3. Geschikt voor ultradunne wafers: de luchtstroom ondersteunt ze gelijkmatig, waardoor het risico op vervorming door traditionele klemming wordt verminderd.

 

Beperkingen van Bernoulli troep:

1. Hoge eisen aan de luchtstroomregeling: Nauwkeurige afstelling van de luchtsnelheid en -druk is vereist, en zelfs kleine schommelingen kunnen de stabiliteit beïnvloeden;
2. Hoog energieverbruik: Het handhaven van een hoge luchtsnelheid vereist een continue stroomtoevoer, wat resulteert in hogere bedrijfskosten;
3. Complexe apparatuur: vereist een aparte luchtbron, sensoren en een besturingssysteem, en het onderhoud is complexer.

  

III, Mechanische spankop

Mechanische klemhouders zijn een traditionele manier om wafers vast te houden. Ze worden bevestigd door de rand van de wafer direct vast te klemmen met behulp van verstelbare kaken, veerstiften en andere mechanische structuren die langs de rand van de klemhouder zijn verdeeld. Deze methode werd veel gebruikt in de beginjaren van de halfgeleiderindustrie, maar is geleidelijk aan vervangen door geavanceerdere contactloze technologieën (zoals elektrostatische klemhouders).

 

Hoe werkt de mechanische klemkop?

1. Randcontactfixatie: De klemklauwen of -pinnen aan de rand van de slede oefenen via veren of mechanische afstelling druk uit op de rand van de wafer;
2. Compatibiliteit met verschillende formaten: De positie van de klauwen is verstelbaar, waardoor de machine compatibel is met wafers van verschillende diameters (zoals 4 inch, 6 inch, enz.);
3. Een puur mechanische constructie: er is geen elektriciteit of vacuümsysteem nodig, de bevestiging berust op fysieke kracht.

Typische workflow:

1. Waferpositionering: De robotarm plaatst de wafer in het midden van de houder.
2. Klemmen: De veer of motor drijft de klauwen aan om de rand van de wafer vast te klemmen.
3. Verwerking voltooid: De klauwen laten los en de wafer wordt verwijderd.

Voordelen van de mechanische klemklauw:

1. Eenvoudige structuur: geen complex elektrisch systeem, lage onderhoudskosten.
2. Instelbare klemkracht: Dankzij veren of een mechanisch ontwerp kan deze worden aangepast aan verschillende waferdiktes.
3. Geschikt voor bepaalde processen, zoals het snijden van wafers, eenvoudige tests, enz., in scenario's met lage precisie-eisen.

Nadelen van de mechanische klemklauw:

1. Risico op randbeschadiging: De klauwen kunnen de rand van de wafer beschadigen, wat de opbrengst kan beïnvloeden.
2. Lage positioneringsnauwkeurigheid: Moeilijk om te voldoen aan procesvereisten op nanometerniveau (zoals lithografie, etsen).
3. Niet geschikt voor grote wafers: Ongelijkmatige klemkracht, waardoor 12-inch (300 mm) wafers kunnen vervormen.
4. Deeltjesverontreiniging: Mechanische bewegingen kunnen deeltjes genereren die de schone omgeving verontreinigen.

 

Vier, Andere klauwplaten:

Thermische regelspankop

Processen waarbij de temperatuur nauwkeurig kan worden geregeld (verwarmen/koelen) en die een warmtebehandeling of constante temperatuurregeling vereisen.

 

Inacuum Metaal Chuck  

De vacuümwafelhouder maakt gebruik van een intern leidingnetwerk om lucht af te voeren, waardoor een negatief drukverschil ontstaat tussen het oppervlak van de houder en de wafer. Hierdoor wordt het vlakke onderste deel van het te bewerken werkstuk aangetrokken en de wafer in de houder gefixeerd. Wanneer de vacuümpomp start, wordt de lucht in de houder afgezogen, waardoor een relatief vacuüm ontstaat. De externe atmosferische druk drukt de wafer stevig tegen het oppervlak van de houder. Het oppervlak van de houder is meestal voorzien van kleine poriën of kanaaltjes om ervoor te zorgen dat het vacuüm gelijkmatig over het contactoppervlak tussen de wafer en de houder wordt verdeeld.

 

Mmagnetische klauw 

Een magneetklem is een apparaat dat werkt op basis van het principe van elektromagnetische straling. Het werkingsprincipe is het opwekken van een magnetisch veld door stroom door een spoel te laten lopen. Door de wisselwerking tussen het magnetische veld en permanente magneten of ijzeren voorwerpen wordt het product geadsorbeerd.

Volgens de marketingafdeling van Fangtai bedroeg de wereldwijde markt voor elektrostatische halfgeleiderklemmen in 2023 1,698 miljard dollar. Het bedrijf voorspelt dat de markt in 2030 zal groeien tot 2,46 miljard dollar, met een samengestelde jaarlijkse groei (CAGR) van 5,3% in de periode van 2024 tot 2030. Wat de regionale markten betreft, is de groei van de Chinese markt aanzienlijk hoger dan het wereldwijde gemiddelde. De huidige wereldwijde markt voor elektrostatische halfgeleiderklemmen is sterk gecentraliseerd. De drie grootste spelers in de sector – Applied Materials, Lam Research en SHINKO – hebben samen ongeveer 85% van het marktaandeel in handen. De regio Azië-Pacific is de grootste markt met 75% van het marktaandeel. Noord-Amerika en Europa vertegenwoordigen respectievelijk 19% en 5%. Qua producttypen domineren elektrostatische Coulombklemmen met een marktaandeel van 68%. Wat betreft downstream-toepassingen is de productielijn voor 300-millimeter wafers het grootste toepassingsgebied, goed voor maar liefst 76%.

 

De halfgeleiderindustrie voor elektrostatische spankoppen wordt al lange tijd gedomineerd door Amerikaanse en Japanse fabrikanten, hoewel ook internationale fabrikanten van apparatuur bijpassende producten leveren. De laatste jaren zijn er, onder impuls van het binnenlandse productiebeleid, een aantal binnenlandse bedrijven ontstaan ​​die zich bezighouden met onderzoek en ontwikkeling van elektrostatische spankoppen. Het moet echter worden benadrukt dat binnenlandse producten zich nog in een vroeg ontwikkelingsstadium bevinden wat betreft technologische volwassenheid en industriële schaal, en dat er een aanzienlijke kloof bestaat ten opzichte van het internationale topniveau. Gezien het enorme ontwikkelingspotentieel en de mogelijkheden voor importvervanging in dit segment, is het echter uitgegroeid tot een van de belangrijkste focusgebieden op de primaire markt.