TWI863741B

TWI863741B - 靜電吸盤表面結構與其形成方法

Info

Publication number: TWI863741B
Application number: TW112147939A
Authority: TW
Inventors: 吳宗豐; 廖俊智; 林佳德; 邱國揚; 陳柏翰; 黃柏嘉
Original assignee: 翔名科技股份有限公司
Priority date: 2023-12-08
Filing date: 2023-12-08
Publication date: 2024-11-21
Also published as: JP2025092432A; TW202524655A; CN120127045A; US20250191955A1

Abstract

本發明涉及半導體製造過程中使用的靜電吸盤的表面結構。該表面結構包括一個基材，一個設置在基材上的第一保護塗層，以及一個設置在第一保護塗層上的第二保護塗層。第一保護塗層是沉積在基材上的，由金屬氧化物、氟化物和氮化物組成的群組中選擇的材料製成。它作為一種通用的保護屏障，對抗磨損、腐蝕和熱效應。第二保護塗層是沉積在第一保護塗層上的，其硬度高於第一保護塗層，提供了增強的耐磨性。此外，本發明還提供了一種多功能且有效的解決方案，用於提高半導體製造中靜電吸盤的性能和壽命。

Description

靜電吸盤表面結構與其形成方法

本發明一般涉及半導體製造設備領域，更具體地說，涉及用於半導體製程腔室中的改良型靜電吸盤（ESC）的表面結構。

在半導體晶圓的製造過程中，靜電吸盤在各種製程腔室中被廣泛使用，以在加熱、吸附和旋轉等操作過程中固定晶圓。這些吸盤通常採用表面處理來提高其性能和耐用性。一種常見的表面處理方法是熱噴塗。然而，隨著半導體製造技術的進步，對靜電吸盤的表面處理要求變得越來越嚴格，傳統的熱噴塗技術往往導致塗層的密度和硬度不足。這是一個重大的缺點。此外，因為晶圓的頻繁裝載和卸載可能導致吸盤的凸點磨損，這種磨損反過來可能導致顆粒物質粘附在晶圓的背面，從而影響後續製程的產量。另一種常見的表面處理方法是使用燒結技術進行製備，雖然燒結的靜電吸盤能提供了更高的硬度，但靜電吸盤整體的製作成本也顯著提高。因此，如何設計一種靜電吸盤，其表面結構具有高硬度、高密度和耐磨性，同時也具有成本效益，是本領域具有通常知識者值得去思考的問題。

本發明之目的在於提供一靜電吸盤表面結構，該靜電吸盤表面結構具有高硬度、高密度和耐磨性，且其同時也具有較低的製作成本。本發明解決了傳統半導體製造中使用的靜電吸盤（ESC）的限制和挑戰，引入了一種創新的表面結構。此表面結構包括一個基材，設置在基材上的第一保護塗層，以及設置在第一保護塗層上的第二保護塗層。第二保護塗層的硬度高於第一保護塗層，從而提供了增強的耐磨性。此發明進一步區別在於，第二保護塗層的孔隙率小於第一保護塗層的孔隙率。此特性確保了更高的密度，有助於提升靜電吸盤的整體耐用性和性能。第一保護塗層選自由金屬氧化物、氟化物和氮化物組成的群組，且其厚度介於100μm至250μm之間。此層作為一個堅固的基底，保護底層基材並提高了ESC的整體耐磨性和耐腐蝕性。第二保護塗層也選自由金屬氧化物、氟化物和氮化物組成的群組，但其厚度較小，範圍在0.5μm至20μm之間。儘管其較薄，但此層提供了超強的硬度，範圍在1000 HV至1500 HV之間，且孔隙率小於1%。這些性質使其在減少從吸盤到晶圓的顆粒污染方面非常有效，從而提高了後續半導體製程的產量。除了結構特性外，本發明另一目的還提供了一種形成所述靜電吸盤表面結構的方法。形成靜電吸盤表面結構的方法是包括在基材上形成第一保護塗層，然後在第一保護塗層上形成第二保護塗層，並針對每層優化特定的沉積條件以達到所需的性質。通過提供高硬度、低孔隙率和耐磨性的組合，並以成本效益的方式，本發明顯著推進了半導體製造中靜電吸盤技術的現狀。本發明具有下述優點：具有高硬度、高密度和耐磨性，且同時能降低製作靜電吸盤表面結構的成本。為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

請參閱圖1，圖1所繪示為本實施例之靜電吸盤表面結構10的示意圖。本發明提供了一種先進的靜電吸盤（ESC）的表面結構，其獨特的表面結構設計用於滿足現代半導體製造過程的嚴格要求。本實施例之靜電吸盤表面結構10由三個主要組件組成：基材12、第一保護塗層13和第二保護塗層14。基材12通常由導電或半導體材料製成，可以產生靜電場，該靜電場在各種製造過程中將半導體晶圓固定在位。在本實施例中，基材12可以由鋁、矽或其他在業界常用的金屬和陶瓷材料製成。基材12是靜電吸盤的基礎元素，對於靜電吸盤的整體性能和功能起著關鍵作用。通常保護層是在基材12上沉積的，基材12負責在製造過程中產生將半導體晶圓固定在位的靜電場。在本實施例中，選擇基材12的材料需考慮以下幾個因素。首先，材料必須是導電或半導體，以產生足夠的靜電場。常見的材料包括鋁、矽和其他與半導體製造環境相容的金屬或陶瓷。材料還應具有高熱導率，以便均勻加熱晶圓，從而確保製程的一致性。此外，基材12的結構完整性是另一個重要的考慮因素。它必須足夠堅固，能夠承受在晶圓裝載和卸載過程中產生的機械應力，以及在晶圓加熱過程中產生的熱應力。並且，基材12通常設計有特定的幾何形狀，以優化其機械性能，如抗拉強度和斷裂韌性。另外，通常在沉積保護層之前，基材12會經過一系列的表面準備步驟。這些可能包括清潔、蝕刻和底漆，以確保表面無污染物並有利於後續層的附著。基材12的表面粗糙度也可能被控制在特定範圍內，以優化基材12與第一保護塗層13之間的粘結強度。基材12的電性能，如電阻率和介電常數，也被調整以優化靜電保持力。當處理極薄或形狀不規則的晶圓時，這些性能尤其重要，因為它們確保了晶圓在整個製造過程中被穩固地固定在位。請再次參閱圖1，第一保護塗層13是直接設置在基材12的表面上，第一保護塗層13是用於保護基材12免受磨損和腐蝕，從而延長靜電吸盤（ESC）的使用壽命。在本實施例中，第一保護塗層13是使用熱噴塗技術形成，例如大氣等離子噴塗（APS）、懸浮等離子噴塗（SPS）或真空等離子噴塗（VPS）。每種方法都有其自身的優點和限制，而選擇哪種方法通常取決於所需塗層厚度、孔隙率和硬度等因素。第一保護塗層13的厚度範圍從100μm到250μm。這個範圍是為了提供足夠的保護給基材12，同時也允許有效的熱傳導。第一保護塗層13的材料選自由金屬氧化物、氟化物和氮化物組成的群組，例如TiO2、Al2O3、YF3、Er2O3、Gd2O3、Y2O3等。這些材料以其出色的熱穩定性、耐腐蝕性和機械性能而聞名，使其成為此應用的理想選擇。第一保護塗層13的硬度設計為在400 HV到700 HV的範圍內，提供了機械強度和靈活性之間的平衡。由於第一保護塗層13需要較厚的厚度，因此採用的熱噴塗技術，以增加其沉積速率，伴隨著不同的製程設計，其孔隙率範圍在1%至5%。沉積過程被精心控制以達到第一保護塗層13的所需性質。例如，可以使用從200A至600A的電弧電流和從5 RPM至30 RPM的轉盤速度。載氣氣體的選擇，如氬氣、氮氣或氦氣，以及其流量也被優化以確保高品質的沉積。通過精心設計和實施第一保護塗層13，本發明顯著提高了靜電吸盤的性能和壽命。第一保護塗層13具有足夠的厚度及強度以增加基材之耐磨耗與耐腐蝕性。請再次參閱圖1，第二保護塗層14是設置在第一保護塗層13的頂部。第二保護塗層14是比第一層薄得多，其厚度範圍從0.5μm至20μm。儘管第二保護塗層14的厚度較薄，但此層提供了超強的硬度，範圍從1000 HV至1500 HV，從而提供了更優異的耐磨性並減少了顆粒污染的風險。第二保護塗層14是使用物理氣相沉積（PVD）技術形成，以使第二保護塗層14形成一種高密度和高硬度的塗層。詳細來說，物理氣相沉積製程高度控制，以達到第二保護塗層14的所需性質。例如，精細調整參數，如腔體溫度、沉積速率、離子源電漿功率和氣體流量。例如，腔體溫度可能範圍從25°C至200°C，沉積速率從0.1 nm/s至1.5 nm/s，以及其他參數。另外，物理氣相沉積（PVD）的方法例如為電子束物理氣相沉積（E-Gun PVD）或離子輔助電子束物理氣相沉積，每種方法都在塗層品質和製程控制方面提供特定的優點。雖然第二保護塗層14的材料也選自由金屬氧化物、氟化物和氮化物組成的群組，與第一保護塗層13相似。但是由於採用真空物理氣象沉積技術，因此可以產生更高硬度及更小孔隙率的保護塗層，第二保護塗層14的孔隙率設計為小於1％，這比第一保護塗層13的孔隙率顯著低。這種低孔隙率有助於提高第二保護塗層14的硬度和耐磨性，使其成為與半導體晶圓長時間接觸的理想選擇，還有在減少從吸盤到晶圓的顆粒污染方面非常有效。綜上，第二保護塗層14作為最頂層直接與半導體晶圓接觸，其提供超強的硬度、低孔隙率和優異的耐磨性，從而提升了第一保護塗層13的耐腐蝕與耐磨耗的性能。因此，本實施例之靜電吸盤表面結構10解決了現有靜電吸盤的缺點，其不僅增強了耐磨性，而且顯著減少了顆粒污染的風險，降低整體製造成本，從而提高了半導體製造過程的產量和可靠性。請參閱圖2，圖2所繪示為形成靜電吸盤表面結構10的方法的流程圖。以下，將對本實施例之靜電吸盤表面結構10如何製造進行詳細說明。首先，請參閱步驟S1，第一保護塗層13在基材12上使用熱噴塗技術在特定條件下沉積，例如大氣等離子噴塗（APS）、懸浮等離子噴塗（SPS）和真空等離子噴塗（VPS），所述三種熱噴塗技術詳細說明如下：一、大氣等離子噴塗（APS）是沉積第一保護塗層13最常用的技術之一。在此方法中，塗層材料被送入高溫的等離子噴射，該噴射將熔化的粒子推向基材12。APS通常在大氣壓力下進行，適用於廣泛的材料，包括金屬氧化物、氟化物和氮化物。可以調整如電弧電流（200A-600A）、載氣氣體流量（30L/min-200L/min）和轉盤速度（5 RPM-30 RPM）等製程參數，以達到所需的塗層性質。二、懸浮等離子噴塗（SPS）是傳統等離子噴塗的變體，但使用液體介質中的細粉末粒子懸浮液。此方法允許沉積具有獨特微結構和增強性質的層。SPS尤其適用於沉積具有複雜組成的塗層，如混合氧化物。製程條件與APS相似，但可能需要額外的控制來管理懸浮液的供應速率和等離子參數。三、真空等離子噴塗（VPS）在受控的真空環境中進行，這最小化了噴塗過程中的氧化和污染。此方法非常適合對大氣條件敏感的材料。VPS允許對塗層的微結構和性質進行更嚴格的控制。製程中的真空壓力範圍從5.0E1到1.0E-2 Torr，並且可以設定預熱溫度在100°C和300°C之間，以提高塗層的附著力。並且，等離子噴塗沉積過程是由幾個參數控制，以達到所需的塗層性質。這些包括從200A至600A的電弧電流、從5 RPM至30 RPM的基材旋轉速度，以及如氬氣、氮氣或氦氣等的載氣氣體類型。並且，氣體流量在30L/min至200L/min之間調整，製程壓力可能從1大氣壓至1.0E-2 Torr變化。所述離子噴塗技術非常適合沉積範圍在100μm至250μm的厚塗層，從而為靜電吸盤的金屬組件提供堅固的保護。另外，製程中一個可選但通常有益的步驟便是基材12的預熱。其中，基材12的預熱溫度可以從100°C至3000°C範圍，有助於提高沉積層的附著力和密度。並且，當基材12的材料與塗層材料的熱性質不同時，預熱基材12的步驟對於基材12與第一保護塗層13之間的附著力有極佳的助益。之後，請參閱步驟S2，在第一保護塗層13上使用物理氣相沉積（PVD）技術在優化條件下沉積第二保護塗層14。其中，物理氣相沉積（PVD）技術例如為電子束物理氣相沉積（E-Gun PVD）或離子輔助電子束物理氣相沉積，此兩種物理氣相沉積詳細說明如下：一、電子束物理氣相沉積（E-Gun PVD）是一種高度專業的薄膜沉積方法。在此技術中，使用電子束蒸發源材料，然後凝結在基材12上形成塗層。該過程在高真空腔室中進行，允許對膜的微結構和性質進行精確控制。沉積條件可以精細調整，包括腔體溫度（25°C至200°C）、沉積速率（0.1 nm/s至1.5 nm/s）和製程壓力（1.0E-2至1.0E-6 Torr）。此方法尤其適合沉積具有高硬度（1000-1500 HV）和低孔隙率（＜1%）的塗層。二、離子輔助電子束物理氣相沉積，這是E-Gun PVD的進階變體，其中使用離子源輔助沉積過程。離子輔助有助於提高膜的密度、附著力和其他機械性質。可以調整離子源參數，如電漿功率、電子束電流（0-1500 mA）和電壓（100V-1500V），以達到所需的塗層特性。氬氣和氧氣的氣體流量可以從5 sccm至50 sccm和10 sccm至200 sccm範圍調整。其中，無論是電子束物理氣相沉積（E-Gun PVD）還是離子輔助電子束物理氣相沉積都非常適合沉積由金屬氧化物、氟化物或氮化物組成的第二保護塗層14，厚度範圍從0.5微米至20微米。此外，上述的優化條件是包括腔體溫度、沉積速率和製程壓力。舉例來說，腔體溫度（25°C至200°C）、沉積速率（0.1 nm/s至1.5 nm/s）和離子源電漿功率。並且，電子束電流可以從0至1500mA範圍，電壓從100V至1500V。另外，物理氣相沉積（PVD）技術所使用載氣氣體如氬氣和氧氣，流量範圍從5 sccm至50 sccm和10 sccm至200 sccm，而所述製程壓力是在1.0E-2至1.0E-6 Torr之間維持。通過優化條件下的沉積方法、材料和製程參數，形成了具有超越半導體製造嚴格要求的優越性質的第二保護塗層14，便能大大提高性能和延長靜電吸盤壽命。因此，相較於傳統使用燒結方法形成靜電吸盤的表面結構，本方法選擇採用熱噴塗技術與物理氣相沉積的方法來生成第一保護塗層13與第二保護塗層14，這能更有效地降低製造靜電吸盤表面結構10的成本。綜上所述，本發明提供了一種靜電吸盤表面結構與其形成方法，不僅滿足了當代半導體製造過程的性能和耐用性要求，而且超越了這些要求。因此，本發明在該領域中代表了一項重大的進步，以成本效益的方式提供了高硬度、低孔隙率和出色的耐磨性的組合。雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10:靜電吸盤表面結構

12:基材

13:第一保護塗層

14:第二保護塗層

S1~S2:步驟

圖1所繪示為本實施例之靜電吸盤表面結構10的示意圖。圖2所繪示為形成靜電吸盤表面結構10的方法的流程圖。

10:靜電吸盤表面結構

12:基材

13:第一保護塗層

14:第二保護塗層

Claims

一種靜電吸盤表面結構，包括：一基材；一第一保護塗層，設置在所述基材的一表面上；及一第二保護塗層，設置在所述第一保護塗層上；其中，所述第二保護塗層的硬度大於所述第一保護塗層的硬度，且所述第二保護塗層的孔隙率小於1%。
如請求項1所述的靜電吸盤表面結構，其中，所述第二保護塗層的孔隙率小於所述第一保護塗層的孔隙率。
如請求項1所述的靜電吸盤表面結構，其中，所述第一保護塗層選自由金屬氧化物、氟化物和氮化物組成的群組，且所述第一保護塗層的厚度介於100μm至250μm之間。
如請求項1所述的靜電吸盤表面結構，其中，所述第一保護塗層的硬度介於400 HV至700 HV之間。
如請求項1所述的靜電吸盤表面結構，其中，所述第一保護塗層的孔隙率介於1%至5%之間。
如請求項1所述的靜電吸盤表面結構，其中，所述第二保護塗層選自由金屬氧化物、氟化物和氮化物組成的群組，且所述第二保護塗層的厚度介於0.5μm至20μm之間。
如請求項1所述的靜電吸盤表面結構，其中，所述第二保護塗層的硬度介於1000 HV至1500 HV之間。
一種形成靜電吸盤表面結構的方法，包括：在一基材的一表面上形成一第一保護塗層；及在所述第一保護塗層上形成一第二保護塗層；其中，所述第二保護塗層的硬度大於所述第一保護塗層的硬度，且所述第二保護塗層的孔隙率小於1%。
如請求項8所述的形成靜電吸盤表面結構的方法，進一步包括：在形成所述第一保護塗層之前，將所述基材預熱至介於100℃至300℃的溫度。
如請求項8所述的形成靜電吸盤表面結構的方法，其中，所述第一保護塗層是使用下述方法進行沉積：大氣等離子噴塗、懸浮等離子噴塗或真空等離子噴塗。
如請求項10所述的形成靜電吸盤表面結構的方法，其中，所述第一保護塗層的沉積條件是選自以條件所組成的群組：電弧電流介於200A至600A、轉台轉速介於5RPM至30RPM、載氣氣體種類選自氬氣、氮氣和氦氣，以及氣體流量介於30L/min至200L/min之間。
如請求項8所述的形成靜電吸盤表面結構的方法，其中，所述第二保護塗層是使用是使用下述方法進行沉積：電子束物理氣相沉積(E-Gun PVD)或離子輔助電子束物理氣相沉積。
如請求項12所述的形成靜電吸盤表面結構的方法，其中，所述第二保護塗層的沉積條件是選自以條件所組成的群組：腔體溫度介於25℃至200℃、沉積速率介於0.1nm/s至1.5nm/s、離子源電漿功率輔助電子束電流介於0mA至1500mA、電壓介於100V至1500V、氬氣的氣體流量介於5sccm至50sccm、氧氣的氣體流量介於10sccm至200sccm，以及製程壓力介於1.0E-2至1.0E-6Torr之間。
如請求項8所述的形成靜電吸盤表面結構的方法，其中，所述第二保護塗層的孔隙率小於所述第一保護塗層的孔隙率。
如請求項8所述的形成靜電吸盤表面結構的方法，其中，所述第一保護塗層選自由金屬氧化物、氟化物和氮化物組成的群組，且所述第一保護塗層的厚度介於100μm至250μm之間。
如請求項8或請求項15所述的形成靜電吸盤表面結構的方法，其中，所述第一保護塗層的硬度介於400 HV至700 HV之間。
如請求項8或請求項15所述的形成靜電吸盤表面結構的方法，其中，所述第一保護塗層的孔隙率介於1%至5%之間。
如請求項8所述的形成靜電吸盤表面結構的方法，其中，所述第二保護塗層選自由金屬氧化物、氟化物和氮化物組成的群組，且所述第二保護塗層的厚度介於0.5μm至20μm之間。
如請求項8或請求項18所述的形成靜電吸盤表面結構的方法，其中，所述第二保護塗層的硬度介於1000 HV至1500 HV之間。