патрон для полупроводниковых пластин керамический патрон

Компания Fountyl Technologies Pte Ltd. является одним из ведущих производителей прецизионных керамических деталей в Сингапуре и пользуется хорошей репутацией в полупроводниковой промышленности. Согласно отчету об исследовании рынка компании Fountyl, распространенные полупроводниковые зажимные устройства можно разделить на три категории:

1. Электростатический зажим (E-CHUCK): В основном используется в вакуумных условиях.

2. Вакуумный зажим: используется в обычных условиях без вакуума.

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

4. Другие патроны:

 

Врабочий принципЧака

Зажим для пластин удерживает и позиционирует пластину, создавая вакуум, электромагнитную силу, силу электростатической адсорбции, давление воздушного потока и механическую силу зажима. Зажим для пластин обеспечивает плоское размещение пластины в станке с помощью различных методов адсорбции и зажима, гарантируя стабильное положение пластины во время обработки и предотвращая ошибки обработки, вызванные перемещением пластины. Обеспечивает точное позиционирование пластин.

I. Электростатический патрон(Э-Чак)

Электростатический зажим является ключевым компонентом оборудования для производства полупроводников, в основном используемым для фиксации пластин (например, кремниевых) в вакууме или плазменной среде. Он использует электростатическую силу для адсорбции пластин, избегая таких проблем, как загрязнение частицами и неравномерность краев пластин, которые возникают при традиционном механическом зажиме или вакуумной адсорбции.

Принцип работы электростатического зажима: он аналогичен принципу работы конденсатора с двумя заряженными пластинами.

Сама заготовка представляет собой электрод, поверхность которого покрыта изолирующим слоем (например, керамикой). В это время пластина выступает в роли еще одного электрода.

При подаче высокого напряжения (обычно 3000-4000 В) на обратной стороне пластины и поверхности зажимного устройства генерируются противоположные заряды, образуя силу электростатического притяжения, которая прочно фиксирует пластину.

Электростатический зажим подходит для сверхчистых держателей пластин в вакуумной или плазменной среде, используя силу кулоновского притяжения (принцип электростатической адсорбции) между двумя заряженными электродами конденсатора для фиксации пластины.

 

В зависимости от метода адсорбции и конструкции электродов электростатические зажимы в основном делятся на два типа: кулоновские электростатические зажимы и JR-электростатические зажимы.

1) В кулоновском типе в качестве диэлектрического слоя используется высокоизолирующая керамика (например, оксид алюминия); он обладает умеренной адсорбционной способностью и подходит для большинства процессов травления и осаждения.

Диэлектрический слой поверхности, контактирующей с пластиной в электростатическом зажиме кулоновского типа, выполнен из высокоимпедансного керамического материала. Внутри этого керамического слоя расположен проводящий электродный слой. При подключении электрода к источнику постоянного тока высокого напряжения на поверхности диэлектрического материала генерируются поляризованные заряды. Заряды, распределенные на обратной стороне пластины, имеют противоположную полярность по отношению к зарядам, распределенным на присоске, и пластина удерживается присоской. Этот метод бесконтактного зажима пластины решает различные проблемы механических зажимов и вакуумной адсорбции.

2) Электростатический зажим типа Йохансена-Рабека (JR ESC), использующий полупроводниковую керамику (например, легированный нитрид алюминия), обладает определенной электропроводностью; он имеет более высокую адсорбционную способность и подходит для процессов с высокой мощностью (например, ионной имплантации). Когда в электростатическом зажиме используется полупроводниковый диэлектрический слой, он называется электростатическим зажимом Йохансена-Рабека (JR ESC). Диэлектрическая поверхность присоски JR имеет не только поляризованные заряды, но и большую часть свободных зарядов. Это объясняется тем, что диэлектрик присоски JR обладает определенной степенью проводимости.

В целом, сила всасывания патрона JR больше, чем в модели Кулона.

 

Пример процесса адсорбции:

1. Поместите пластину в камеру → Приложите высокое давление (напряжение зажима) для адсорбции пластины.
2. Введение гелия (He) → Гелий заполняет крошечные зазоры между пластиной и держателем, способствуя рассеиванию тепла. Будучи хорошим теплопроводником, гелий отводит избыточное тепло от пластины (циркуляция охлаждающей среды осуществляется внутри ESC).
3. Процесс завершен → Выключите напряжение, и пластина автоматически отделится.

 

Преимущества электростатического зажимного устройства:

1. Бесконтактная фиксация → Избегайте повреждения поверхности пластины или загрязнения частицами;
2. Точный контроль температуры → Гелий проводит тепло, обеспечивая равномерную температуру пластины (в пределах ±1℃);
3. Подходит для работы в вакуумной среде → Может использоваться в полупроводниковых процессах, таких как травление и нанесение покрытий;
4. Уменьшает потери на краях → Более высокий коэффициент использования пластины (большая доступная площадь на краю).

II. Бернулли Чак

Зажим Бернулли — это бесконтактная технология фиксации пластин, использующая разницу давлений, создаваемую высокоскоростным потоком газа, для подвешивания и фиксации пластин. Она основана на принципе Бернулли (чем выше скорость воздушного потока, тем ниже давление), исключает физический контакт, характерный для традиционных механических зажимов, и подходит для высокоточных технологических процессов.

 

Как работает патрон Бернулли?

Высокоскоростная воздушная струя: конструкция поверхности держателя с прецизионной пористостью, высокоскоростной поток воздуха. Формирование зоны низкого давления: воздух в зоне низкого давления, образующейся между пластиной и держателем, будет создавать «давление» на пластину, воздействуя на держатель и обеспечивая его подвешивание.

Принцип действия и подвеска судна на воздушной подушке аналогичны принципам работы судов на воздушной подушке, которые, благодаря воздушной опоре, позволяют избежать трения.

 

Пример рабочего процесса:

1. Поток воздуха начинается → Из зажимного устройства с высокой скоростью выдувается воздух, и пластина «поднимается»;
2. Стабильная подвеска → Разница давлений удерживает пластину в неподвижном положении, не касаясь зажимного устройства;
3. Обработка завершена → Закройте подачу воздуха, и пластина плавно опустится.

 

Преимущества присосок Бернулли:

1. Бесконтактная фиксация: предотвращает царапание поверхности пластины, подходит для высокоточных оптических линз и обработки сверхтонких пластин;
2. Быстрая загрузка и выгрузка: отсутствие необходимости в механическом зажиме, что повышает эффективность загрузки и выгрузки пластин и улучшает производительность;
3. Подходит для сверхтонких пластин: воздушный поток равномерно поддерживает их, снижая риск деформации, вызванный традиционным зажимом.

 

Ограничения теории Бернулли Чак:

1. Высокие требования к управлению потоком воздуха: необходима точная регулировка скорости и давления воздушного потока, и даже небольшие колебания могут повлиять на стабильность;
2. Высокое энергопотребление: поддержание высокоскоростного воздушного потока требует непрерывного электропитания, что приводит к увеличению эксплуатационных расходов;
3. Сложное оборудование: требует отдельного источника воздуха, датчиков и системы управления, а его техническое обслуживание затруднено.

  

III, Механический патрон

Механические зажимные патроны — это традиционный способ удержания кремниевых пластин. Они фиксируются путем прямого зажима края пластины с помощью регулируемых губок, пружинных штифтов и других механических конструкций, расположенных вдоль края патрона. Этот подход широко использовался на заре полупроводникового производства, но постепенно был заменен более совершенными бесконтактными технологиями (такими как электростатические патроны).

 

Как работает механический зажимной патрон?

1. Фиксация контакта с краем: зажимные когти или штифты на краю патрона оказывают давление на край пластины посредством пружин или механической регулировки;
2. Совместимость с различными размерами: положение зажимов можно регулировать, что обеспечивает совместимость с пластинами различного диаметра (например, 4 дюйма, 6 дюймов и т. д.);
3. Чисто механическая конструкция: не требуется электричество или вакуумная система, фиксация осуществляется за счет физической силы.

Типичный рабочий процесс:

1. Размещение пластины: роботизированная рука помещает пластину в центр зажимного устройства.
2. Зажим: Пружина или двигатель приводят в движение зажимы, которые фиксируют край пластины.
3. Обработка завершена: зажимы освобождаются, и пластина извлекается.

Преимущества механического зажимного патрона:

1. Простая конструкция: отсутствие сложной электрической системы, низкие затраты на техническое обслуживание.
2. Регулируемая сила зажима: благодаря пружинам или механической конструкции, она может адаптироваться к различной толщине пластин.
3. Подходит для некоторых процессов, таких как резка пластин, простое тестирование и т. д., для сценариев с низкими требованиями к точности.

Недостатки механического зажимного патрона:

1. Риск повреждения краев: Когти могут поцарапать край пластины, что повлияет на выход годной продукции.
2. Низкая точность позиционирования: сложно обеспечить соответствие технологическим требованиям на нанометровом уровне (например, литография, травление).
3. Не подходит для больших пластин: неравномерное усилие зажима, склонность к деформации 12-дюймовых (300-мм) пластин.
4. Загрязнение частицами: Механическое движение может приводить к образованию частиц, загрязняющих чистую окружающую среду.

 

Четыре, Другие варианты:

Терморегулирующий патрон

Процессы, позволяющие точно контролировать температуру (нагрев/охлаждение) и требующие термообработки или поддержания постоянной температуры.

 

Вакуумный металл СХак  

Вакуумный зажим для пластин использует внутреннюю сеть трубопроводов для откачки воздуха, создавая отрицательную разницу давлений между поверхностью зажима и пластиной, тем самым притягивая нижнюю плоскую часть обрабатываемой детали и фиксируя пластину на зажиме. Когда запускается вакуумный насос, воздух внутри зажима откачивается, создавая относительно вакуумную среду. Внешнее атмосферное давление плотно прижимает пластину к поверхности зажима. Поверхность зажима обычно имеет крошечные поры или каналы, чтобы обеспечить равномерное распределение вакуума по контактной поверхности между пластиной и зажимом.

 

Ммагнитный патрон 

Магнитный зажим — это устройство, работающее по принципу электромагнитных приборов. Принцип его работы заключается в создании магнитного поля путем пропускания тока через катушку. Благодаря силе взаимодействия между магнитным полем и постоянными магнитами или железными предметами достигается адсорбция продукта.

Согласно данным отдела маркетинга компании Fangtai, объем мирового рынка полупроводниковых электростатических зажимов в 2023 году достиг 1,698 млрд долларов США. По прогнозам, к 2030 году объем рынка вырастет до 2,46 млрд долларов США, при этом среднегодовой темп роста (CAGR) составит 5,3% в период с 2024 по 2030 год. С точки зрения региональных рынков, темпы роста китайского рынка значительно выше среднемировых. Современная конкуренция на мировом рынке полупроводниковых электростатических зажимов характеризуется высокой степенью централизации. Три лидера отрасли – Applied Materials, Lam Research и SHINKO – вместе занимают примерно 85% рынка. В региональном разрезе крупнейшим региональным рынком является Азиатско-Тихоокеанский регион, на долю которого приходится 75% рынка. На Северную Америку и Европу приходится 19% и 5% соответственно. Что касается типов продукции, то доминирующее положение занимают электростатические зажимы Кулона с долей рынка в 68%. В сегменте последующих применений наибольшую долю занимает линия по производству 300-миллиметровых пластин, на которую приходится до 76%.

 

Долгое время в полупроводниковой отрасли электростатических зажимов доминировали американские/японские производители, в то же время международные заводы-изготовители оборудования также предлагали аналогичную продукцию. В последние годы, под влиянием политики развития отечественного производства, появилось множество отечественных предприятий, занимающихся исследованиями и разработками в области электростатических зажимов. Однако следует отметить, что отечественная продукция все еще находится на ранней стадии развития с точки зрения технологической зрелости и масштабов производства, и существует значительный отрыв от ведущего международного уровня. Тем не менее, учитывая огромный потенциал развития и возможности импортозамещения в этой области, она стала одним из ключевых направлений на первичном рынке.