Керамический держатель для полупроводниковых пластин

Fountyl Technologies Pte Ltd. является одним из ведущих производителей прецизионных Керамические детали Компания находится в Сингапуре и пользуется хорошей репутацией в полупроводниковой промышленности. Согласно исследованию рынка компании Fountyl, распространенные полупроводниковые патроны можно разделить на три категории:

1, Электростатический патрон (E-CHUCK): в основном используется в вакуумных средах

2, Вакуумный патрон: Используется в обычных невакуумных средах

3. Бернулли: это в основном используется в таких областях, как солнечная энергетика.

4. Другие патроны:

 

Впринцип работыЧака

Держатель пластин удерживает и позиционирует пластину за счёт вакуума, электромагнитной силы, силы электростатической адсорбции, давления воздуха и механического зажима. Держатель пластин обеспечивает ровное размещение пластины в машине благодаря различным методам адсорбции и зажима, обеспечивая стабильное положение пластины во время обработки и предотвращая ошибки, вызванные её перемещением. Обеспечивает точное позиционирование пластин.

一, Electrostatic Chuck(E-Чак)

Электростатический держатель — ключевой компонент оборудования для производства полупроводников, используемый в основном для фиксации пластин (например, кремниевых) в вакууме или плазменной среде. Он использует электростатическую силу для адсорбции пластин, предотвращая такие проблемы, как загрязнение частицами и неоднородность краев пластин, возникающие при традиционном механическом зажиме или вакуумной адсорбции.

Принцип работы электростатического патрона: он подобен конденсатору с двумя заряженными пластинами.

Сам патрон представляет собой электрод, поверхность которого покрыта изолирующим слоем (например, керамикой). В этот момент пластина выполняет роль ещё одного электрода.

При подаче высокого напряжения (обычно 3000-4000 В) на обратной стороне пластины и поверхности держателя возникают разноименные заряды, образующие электростатическую силу притяжения, которая прочно фиксирует пластину.

Электростатический держатель подходит для сверхчистых держателей пластин в вакуумных или плазменных средах, используя силу кулоновского притяжения (принцип электростатической адсорбции) между двумя заряженными электродами конденсатора для фиксации пластины.

 

По способу адсорбции и конструкции электродов электростатические держатели в основном делятся на два типа: кулоновские ESC и JR ESC.

1) Кулоновский тип использует в качестве диэлектрического слоя керамику с высокой изоляцией (например, оксид алюминия); он имеет умеренную адсорбционную способность и подходит для большинства процессов травления и осаждения.

Диэлектрический слой поверхности, контактирующей с пластиной электростатического держателя кулоновского типа, изготовлен из высокоимпедансного керамического материала. Внутри керамического слоя расположен проводящий электродный слой. При подключении электрода к высоковольтному источнику постоянного тока на поверхности диэлектрического материала генерируются поляризованные заряды. Заряды, распределенные на обратной стороне пластины, имеют противоположную полярность по сравнению с зарядами, распределенными на присоске, и пластина будет удерживаться присоской. Этот метод бесконтактного крепления пластины к верхней стороне решает ряд проблем, связанных с механическими держателями и вакуумной адсорбцией.

2) Тип присоски Йохансена-Лабека (JR ESC), использующий полупроводниковую керамику (например, легированный нитрид алюминия), обладает определенной электропроводностью; он обладает более высокой адсорбционной способностью и подходит для высокопроизводительных процессов (например, ионной имплантации). Электростатическая присоска Йохансена-Лабека (JR ESC) использует диэлектрический слой для полупроводникового материала. Диэлектрическая поверхность присоски Йохансена-Лабека имеет не только поляризованные заряды, но и значительную часть свободных зарядов. Это связано с тем, что диэлектрик присоски JR обладает определенной проводимостью.

Вообще говоря, всасывание патрона JR больше, чем у модели Кулона.

 

Пример процесса адсорбции:

1. Поместите пластину в камеру → Приложите высокое давление (напряжение зажима), чтобы адсорбировать пластину.
2. Ввод гелия (He) → Гелий заполняет мельчайшие зазоры между пластиной и держателем, способствуя рассеиванию тепла. Будучи хорошим проводником тепла, гелий отводит избыточное тепло от пластины (циркуляция охлаждающей жидкости осуществляется внутри ESC).
3. Процесс завершен → Отключите напряжение, и пластина автоматически высвободится.

 

Преимущества электростатического патрона:

1. Отсутствие фиксации контакта → Избегайте повреждения поверхности пластины или загрязнения частицами;
2. Точный контроль температуры → Гелий проводит тепло, обеспечивая равномерную температуру пластины (в пределах ±1℃);
3. Подходит для вакуумных сред → Может использоваться в полупроводниковых процессах, таких как травление и нанесение покрытий;
4. Снижение потерь на краю → Более высокий коэффициент использования пластины (большая доступная площадь на краю).

2. Патрон Бернулли

Патрон Бернулли — это технология бесконтактной фиксации пластин, использующая разницу давления, создаваемую высокоскоростным потоком газа, для подвешивания и фиксации пластин. Принцип Бернулли основан на принципе Бернулли (чем выше скорость воздушного потока, тем ниже давление), что позволяет избежать физического контакта, характерного для традиционных механических зажимов, и подходит для высокоточной обработки.

 

Как работает патрон Бернулли?

Высокоскоростная воздушная струя: конструкция поверхности держателя с прецизионной пористостью обеспечивает высокоскоростной поток воздуха. Формирование области низкого давления: воздух в области низкого давления, образующейся между пластиной и держателем в верхней части атмосферы, оказывает давление на держатель, обеспечивая подвешенную фиксацию.

Аналогичный принцип работы судна на воздушной подушке и подвеска судна на воздушной подушке, посредством воздушной поддержки, позволяют избежать трения напрямую.

 

Пример рабочего процесса:

1. Начинается подача воздуха → Из патрона выбрасывается высокоскоростной воздух, и пластина «поднимается»;
2. Стабильная подвеска → Разница давлений удерживает пластину зафиксированной, не касаясь держателя;
3. Обработка завершена → Закройте воздушный поток, и пластина плавно упадет.

 

Преимущества присосок Бернулли:

1. Бесконтактная фиксация: предотвращает царапание поверхности пластины, подходит для высокоточных оптических линз и обработки сверхтонких пластин;
2. Быстрая загрузка и выгрузка: нет необходимости в механическом зажиме, что делает загрузку и выгрузку пластин более эффективной и повышает производительность производства;
3. Подходит для сверхтонких пластин: воздушный поток равномерно поддерживает их, снижая риск деформации, вызванный традиционным зажимом.

 

Ограничения Бернулли патрон:

1. Высокие требования к контролю потока воздуха: требуется точная регулировка скорости и давления потока воздуха, даже небольшие колебания могут повлиять на стабильность;
2. Высокое энергопотребление: поддержание высокоскоростного потока воздуха требует постоянного электропитания, что приводит к более высоким эксплуатационным расходам;
3. Сложное оборудование: требует специального источника воздуха, датчиков и системы управления, а также более сложное обслуживание.

  

三, Mechanical Chuck

Механические зажимные патроны — традиционный способ фиксации пластин. Они фиксируются путём непосредственного зажима края пластины с помощью регулируемых губок, пружинных штифтов и других механических устройств, распределённых вдоль края патрона. Этот подход широко применялся на заре производства полупроводников, но постепенно был вытеснен более совершенными бесконтактными технологиями (например, электростатическими патронами).

 

Как работает механический зажимной патрон?

1. Фиксация краевого контакта: зажимные лапки или штифты на краю зажимного приспособления оказывают давление на край пластины посредством пружин или механической регулировки;
2. Совместимость с различными размерами: Положение захватов можно регулировать, что обеспечивает совместимость с пластинами различных диаметров (например, 4 дюйма, 6 дюймов и т. д.);
3. Чисто механическая структура: не требуется электричество или вакуумная система, для фиксации используется физическая сила.

Типичный рабочий процесс:

1. Размещение пластины: роботизированная рука помещает пластину в центр держателя.
2. Зажим: пружина или двигатель приводят в движение захваты, которые зажимают край пластины.
3. Обработка завершена: захваты освобождаются, и пластина извлекается.

Преимущества механического зажимного патрона:

1. Простая конструкция: отсутствие сложной электрической системы, низкие затраты на обслуживание.
2. Регулируемое усилие зажима: с помощью пружин или механической конструкции его можно приспособить к различной толщине пластин.
3. Подходит для некоторых процессов, таких как резка пластин, простое тестирование и т. д., в сценариях с требованиями низкой точности.

Недостатки механического зажимного патрона:

1. Риск повреждения края: захваты могут поцарапать край пластины, что повлияет на выход готовой продукции.
2. Низкая точность позиционирования: сложно удовлетворить требованиям процесса на нанометровом уровне (например, литография, травление).
3. Не подходит для больших пластин: неравномерное усилие зажима, склонное вызывать деформацию 12-дюймовых (300 мм) пластин.
4. Загрязнение частицами: Механическое движение может приводить к образованию частиц, загрязняющих чистую среду.

 

Четыре, Другие патроны:

Терморегулирующий патрон

Процессы, которые позволяют точно контролировать температуру (нагрев/охлаждение) и требуют термической обработки или постоянного контроля температуры.

 

Вacuum Metal Схак  

Вакуумный держатель пластин использует внутреннюю сеть трубопроводов для откачки воздуха, создавая разность давлений между поверхностью держателя и пластиной, что позволяет притягивать нижнюю плоскую часть обрабатываемой детали и фиксировать пластину на держателе. При запуске вакуумного насоса воздух из держателя откачивается, создавая относительно вакуумную среду. Внешнее атмосферное давление плотно прижимает пластину к поверхности держателя. Поверхность держателя обычно имеет мелкие поры или каналы для равномерного распределения вакуума по поверхности контакта между пластиной и держателем.

 

Ммагнитный патрон 

Магнитный захват – это устройство, работающее по принципу электромагнитных устройств. Принцип его работы заключается в создании магнитного поля путём пропускания тока через катушку. Благодаря силе взаимодействия магнитного поля с постоянными магнитами или железными предметами происходит адсорбция продукта.

По данным отдела маркетинга компании Fangtai, объем мирового рынка полупроводниковых электростатических патронов в 2023 году достиг 1,698 млрд долларов США. Учреждение прогнозирует, что к 2030 году объем рынка вырастет до 2,46 млрд долларов США, при этом среднегодовой темп роста (CAGR) в период с 2024 по 2030 год составит 5,3%. С точки зрения региональных рынков, темпы роста китайского рынка значительно выше среднемирового. Текущая глобальная конкуренция на рынке полупроводниковых электростатических патронов представляет собой высокоцентрализованное государство. Три ведущих игрока отрасли — Applied Materials, Lam Research и SHINKO — вместе занимают около 85% доли рынка. С точки зрения регионального распределения, Азиатско-Тихоокеанский регион является крупнейшим региональным рынком, на долю которого приходится 75% доли рынка. На североамериканский и европейский рынки приходится 19% и 5% соответственно. По типу продукции доминирующее положение занимают кулоновские электростатические держатели с долей рынка 68%. Что касается последующих применений, то наибольшей областью применения является линия по производству 300-миллиметровых пластин, доля которой достигает 76%.

 

В отрасли производства электростатических патронов для полупроводников долгое время доминировали американские и японские производители, в то же время международные заводы оборудования также поставляют соответствующую продукцию. В последние годы, под влиянием внутренней производственной политики, появился ряд отечественных предприятий, занимающихся исследованиями и разработками электростатических патронов. Однако следует отметить, что отечественная продукция все еще находится на ранней стадии развития с точки зрения технологической зрелости и промышленных масштабов, и существует значительный разрыв по сравнению с ведущими международными продуктами. Однако, учитывая огромный потенциал развития и возможности импортозамещения в этой области, она стала одним из ключевых направлений на первичном рынке.