静电卡盘国产化,半导体零部件的艰难突围
半导体产业有这样一条规律,“一代技术、一代工艺、一代设备”,先研发出技术,然后形成工艺,最后再形成设备。因为不断有新技术出现,产生了新工艺,新的设备才会有企业买。而半导体设备的升级迭代,很大程度上有赖于精密零部件的关键技术突破。精密零部件不仅是半导体设备制造中难度较大、技术含量较高的环节之一,也是国内半导体设备“卡脖子”的环节之一,也支撑着整个半导体芯片制造和现代电子信息产业。按照通用性划分,半导体零部件可以分为精密机加件和通用外购件。精密机加件一般由各设备公司工程师自行设计,委外加工,一般只用于本公司生产设备,如工艺腔室、传输腔室。这种零部件的国产化相对容易,但对表面处理、精密机加工等技术要求较高。
而通用外购件一般是经过长期验证,得到众多设备商、晶圆制造厂广泛认可的零部件,更加标准化,应用数量也更大,不仅设备商会采购,晶圆厂也会采购此类部件作为耗材和备件使用,例如石英件、射频电源、泵、阀门、密封圈、流量计、陶瓷件等。这类零部件需要较强的通用性和一致性,且要得到设备商、晶圆厂的认证,因此国产化难度较大。
静电卡盘就属于开发技术难度较大的一种。
在先进的大规模集成电路制造过程中有着几百种工艺步骤,晶圆片需要在多达几百种的工艺设备之间来回传输并进行加工检测。在加工过程中,晶圆片必须被十分平稳、固定地安放在工艺设备上。完成这一系列操作就需要用到卡盘,根据工作原理、结构形式、夹紧方式等方面的不同,卡盘主要分为机械卡盘、真空卡盘、静电卡盘三种类型。其中静电卡盘由于其对工件损伤小、精度高等特点,被广泛运用于半导体制造工艺等需要精密加工的场景。静电卡盘(Electrostatic Chuck,简称E-Chuck),其原理是利用静电吸附原理将待加工晶圆吸附在其表面,使晶圆保持较好的平坦度,可以抑制晶圆在工艺中的变形,并且可以通过背吹气体来控制晶圆表面温度。
相较于机械卡盘,静电吸盘减少了机械运动部件,降低了颗粒污染,增大晶片的有效面积。与真空吸盘相比,静电吸盘可用于低压强(真空)环境,适用于需要利用卡盘控制晶片温度的场合。
凭借这些特性,静电卡盘被广泛用于PVD、刻蚀机、离子注入机等设备,其在半导体制造工艺的多个环节扮演着重要作用。
现代半导体工艺中包含晶圆的清洗、氧化、光刻、刻蚀、沉积等环节,每个环节中又涉及到多种工序,这其中离子掺杂、离子注入、物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)等工序均需要保证晶圆的平稳固定,因此都需要静电卡盘来进行夹持。
在半导体制造工艺中,晶圆的平整度与洁净度对整个半导体制造的精度与良率至关重要,相较于传统的机械卡盘与真空卡盘,静电卡盘因吸附力均匀、污染小、可作用于真空环境等优势也就成了不二之选。
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