ESC基础培训08111Word格式文档下载.docx
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•Lowresistivitypuck
•JRcurrentmustpresent
•Rg>
>
Re,thereforeVg>
Ve
图5.JR型E-Chuck原理示意图
图5.JR型E-Chuck电路等效图
JR型E-Chuck原理是20世纪中期发展的,两个物质相接触,即使双方平整度很高,但真正接触的表面也是点接触。
假如两物体接触面间有电压,例如硅片和ESC表面,且认为ESC材质为低电阻率材料,且存在电流,则可认为接触点间电阻率明显高于ESC内部电阻,因此两物体间电压基本被分压在接触面上。
•Fieldemissiontakeplace
•Wherearethecharges?
•Fieldemissionsaturation
图5.JR型E-Chuck微观结构原理图
JR电流在硅片背面与Echuck正面的接触点形成。
在非接触点电荷无法移动,形成了静电引力。
图6.JR型与库仑型E-Chuck引力与电压关系比较图
JR型ESC比较大的一个特点是低电压状态下,能够产生比较大的引力。
•Sensitivetoparticles
•Howaboutthewaferwithglasscarrier?
因为JR型引力形成主要集中在接触点,因此对距离因素比库仑型ESC敏感。
因此假如存在Particle,则JR型ESC表现的更敏感。
也因为此因素,导致特殊硅片(硅片背面有玻璃)无法使用JR型ESC。
BipolarE-chuckchuckingscheme
●Powersupplymustbefloating
●WithDCbiaspresentingduringprocessing,onesidegroundedpowersupplycausesunbalancedchuckingforce
图7.双极ESC错误连接方式示意图1
如上图接地是不行的,假如接地,则RF无法起作用。
图8.双极ESC错误连接方式示意图2
如上图接地也是不行的,因为硅片受到RFBias影响,A、B两端相对于硅片的电压值绝对值不相等,因此引力也不相同。
图9.双极ESC正确连接方式示意图
双极ESC,两极之间应该是悬浮的,并且应该与ECBias电位相同。
●Oncewefloatthepowersupply,theterminalA(orB)togroundpotentialisunknown.
●Thereforethechuckingvoltagescouldbeunbalanced.
●Thesolutioniscentertapconnection
●Directconnection
●Capacitordivider
图10.双极ESC无DCBias反馈示意图
当ESCDCGND悬浮后,将无法确定A、B两端相对于硅片下表面的电压,因为ESCDCGND被悬浮了,只能够知道A、B两端间的电压差。
因此简单悬浮ESCDCGND也不可行。
图11.双极ESC有DCBias反馈示意图
如上图所示方法是目前比较通用的方法,参考电位从硅片背面取得,Va,Vb电压方向相反,数值相等。
C点参考电位既为DCBias。
注意:
C点电位只有通过静电电压表来测量才比较准确。
图12.双极ESC有DCBias反馈示意图2
在无法准确测量或获得DCBias的情况下,通过调节参考电位,将参考电位调解到估算的DCBias的情况也是可行的。
BipolarE-chuckdechuckingscheme
●ResidualchargesonE-chuckandwafersurfaceandelectrodes.
●Sourcesofresidualcharges:
⏹leakagecurrent(intensofnAforhighresistivitychuck)bringchargestothesurface;
⏹waferrubbing;
⏹trappingspacecharges,etc.
Dechucking时剩余电荷存在于ESC上表面与硅片下表面之间。
剩余电荷一般来自于三个方面:
Chucking时,电荷被带到表面上而因为高电阻率,无法被带走。
因此电极所存在的电荷没有得到释放。
硅片与ESC表面摩擦,形成静电电荷。
由腔室其他位置转移来的电荷。
●Fortheleakcurrentcharges,thepolarityispredictable,applythereversedvoltageproperlycouldremovesomeofthecharges
对于漏电流电荷(Chucking时没有释放完全的电荷),电荷的极性是已知的,因此加反向电压可以释放电荷。
●Groundelectrodeswhilepoweroffisalsohelpful
ESC不工作时,将电极与地相连(ESC功能之一)也可以起到消除电荷的作用。
●Forothercharges,dechuckingwithplasma,caneffectivelyremovethem.ButthismethodcannotbeappliedtocurrentPVDchambers.
由于等离子体内丰富的电荷以及其电中性的特点,Dechucking时施加Plasma能够有效的释放电荷。
但是此方法不适合PVD系统。
●ForlowresistivityE-chuck,thechargesonchucksurfacecanescapetogroundreadily.Buttheresidualchargesonthe6kor10kwafersurfacearehardtoescape.Sofaritisstillanissue.
由于低电阻率ESC,剩余电荷通过ESC释放还是比较容易的,但是有一些硅片本身电阻值较高,反而是因硅片上的剩余电荷束服,导致ESC的剩余电荷无法释放。
原理见下图。
图13.De-Chucking原理示意图
BipolarE-chuckSchematics
图13.双极E-Chucking接线框图
双极ESC接线框图如上,假如RF与DC最终相同路径接入,RF进入端需要隔离直流,隔离直流电路由于其本身需要经过较大的电流,考虑散热、安全,不建议采用电路板形式,一般用器件搭。
ESCDC需要将DC滤波后输入,同时反馈信号也需要滤波。
滤波电路没有通过大电流问题,可以用电路板形式。
●Cu腔室起辉状态下,电阻为几个欧母,但角度很大。
●Ta腔室可能有70~80欧母,角度也很大。
●从A和B向HVRFFilter看,电阻应为5~10K欧母,电流在mA级别。
●因为腔室的耦合电容、电感很难通过计算或模拟确定实际工作过程中的状态,因此通常是在实际工作过程中,可通过VIProbe在RF进口处,测量电流、电压以及电位。
●竞争对手的HighRFCurrent电缆都是定做的,实际工作过程中出问题最多的还是此电缆。
BipolarE-chuckOperationScheme
图14.E-Chuck工作电压时序图
●T1~T2:
此时间为ESC上升至工艺位置,需要加150V左右的Chucking电压,原因有两个,一个是保持硅片在上升过程中不运动。
另一个作用是因为硅片进入腔室时的温度较高,通过Chucking能够保证一定的散热。
●T2~T3:
此时Chucking电压保持在450V~550V,持续时间约为1~2秒钟,此时Chucking电压是整个工艺过程中最大的,作用有两个,一个是通过较大的Chucking电压将有可能存在的硅片翘曲去除。
另一个原因是加大Chucking电压,使硅片的降温更快。
●T3~T4:
T3为工艺开始时间,也是Gas进气开始时间,T3~T4E-Chuck保持正常的电压输出,典型输出为350V。
T4点为结束工艺后,Gas压力下降到200mTorr时刻,此时刻关闭E-Chuck电压。
●T4~T5:
普通硅片在JR型SLTESC中并不需要,即由于低电阻率,JR型SLTESC并不需要De-Chuck的特殊反向电压。
假如De-Chuck结果不理想,可以施加反向电压。
反向电压的大小和时间需要测试确定。
图15.E-Chuck气路原理示意图
MonopolarE-chuck
●Chucking:
Needplasmatoclosethechuckingpath.Thepolarityofthechuckingvoltagecouldberequiredbycustomers
●Dechuckingproblems:
⏹Ifplasmaextinguished,UnabletodischargethechuckingvoltageVcwhileturningoffthePS;
NeedsometypeofplasmatodischargeVc
⏹Residualchargesissuesremain
单极E-Chuck需要Plasma才能使Chucking通路完整。
Chucking电压的极性可以根据客户需要设定。
在单极E-Chuck进行De-Chucking时,假如Plasma熄灭,则静电电压将无法去除。
另外剩余电荷的去除在单极E-Chuck上有一些问题。
图16.单极E-Chuck电压关系
图17.硅片静电电压与ESCDC关系示意图
要保证加持在ESC电极和硅片下表面的静电电压,需要考虑DCBias。
由于DCBias的存在,极性相反数字相等的ESC电极和硅片下表面静电电压,ESCDC相对于地的电压是不同的,如上图所示。
图18.硅片静电电压电气原理等效图
MonopolarE-chuckSchematics
图19.单极ESC电气原理示意图
单极ESC的典型应用如上图所示,假如RF与DC同电路输入,则需要增加隔离直流电容以及RFFilter电路。
假如没有传感器直接测定DCBias电压,则可根据RF输出电流、电压关系计算出DCBias电压。
从而更改ESCDC输出数值。
达到精确控制实际加载在硅片上的直流电压。
假如不增加DCBias修成电路,理论上也是可行的,但根据竞争对手使用经验,在工艺过程中,DCBias并非一成不变,某些难以说明的偶发问题可能和DCBias突变有关,因此竞争对手会考虑增加修成电路。
单极ESC的优点是接入ESC的接线相对较少。
甚至单极ESC可以通过铜棒接入。
根据美国的相关安全标准,对于电源线,只要保证工作状态下的CableConnector温度低于65摄氏度即可。
PIBBox内部,ESC内部不要使用高温电缆,高温电缆通常过硬,对于ESC需要运动的PVD系统不适用。
但由于RF电流会有趋肤效应,在13.56MHz下,67%的电流是在电缆的表皮上流过的,只有33%的电流是在电缆芯部流过。
因此需要计算表面积上的电流密度。
聚乙烯材料电流:
1.X安培每毫米。
特福龙材料电流:
2.X安培每毫米。
LowTempCeramicPuck
●Ceramicmaterial:
AlN
⏹Kyocera:
AN2010;
⏹NGK:
xxx37;
●Resistivity:
1E+9Ω-cmto1E+10Ω-cm,@50⁰C,at300V;
3E+9Ω-cmto3E+10Ω-cm,@20⁰C,at300V.Resistivityshouldnotincreasedby3Xat10V
●Chuckingforce:
forflatsurface100g/cm²
(testtool?
Location?
)
popofftest
⏹12torrat500Vinvacuumchamber(nowaferread<
2torr)
●Electrodestosurfacethickness:
1mm+0.2mm.
●Thermalconductivity:
150to160w/m*k
●Breakdownvoltage:
1.5kv/mm
●Current:
20ampsperterminal(A&
B),at13.56MH
低温ESCPuck都是采用氮化铝陶瓷制作。
竞争对手目前的两个供应商为Kyocera和NGK。
低温ESC几个比较关键的指标为电阻率、Chucking力、电极到表面的厚度、导热性、通过电压、通过电流等。
竞争对手采用JR型ESC作为低温ESC,在AlN中都掺杂了稀有金属。
从而保证了低电阻率。
ESC引力在ESC每点都不一样。
测试必须保证测试物体与ESC平行,并贴近ESC表面。
ESC上表面厚度并不容易测量。
低温ESC上表面必须有良好的导热性能(150to160w/m*k)。
击穿电压这个指标并不是很重要,一般假如ESC表面没有裂纹或洞,都不会被击穿。
LowTempCeramicPuck:
Embossment
图20.低温ESC机械设计示意图1
竞争对手ESC有连接到硅片背面,接收DCBias的设计。
图21.低温ESC机械设计示意图2
ESC上表面比硅片面积稍小,另外有专门的DepositionRing设计。
硅片背面冷却He气在三针周围,最外面一圈都有密封He气的凸起,虽然不能完全密封冷却气体,但能够起到很大作用。
凸起约占整个ESC表面积的30%to40%。
凸起分布设计主要取决于热传导性能。
要做到热传导比较好。
凸起要抛光,要求R1~R1.5(英制)
凸起表面20um的平整度。
整个ESC表面积294mm,与硅片圆周外测3mm空隙。
是否可以不整合最下面的铝硅碳合金层(铝硅碳合金层主要是为了能够安装在腔室上)?
是否可以不用凸起(Pad),直接打沟形成空隙?
LowTempE-chuckPuck:
Electrodes
图22.低温ESC机械设计示意图3
竞争对手的双极ESC是分为左右两极的。
两极到边缘约为3mm间距。
LowTempE-chuck
图22.双极两体ESC机械设计示意图3
双极两体ESC最上方为氮化铝材质平面。
截面比300mm硅片略小6mm。
其下结合了一层金属。
两体ESC拆装时内外两个密封圈将ESC密封住。
图22.双极两体ESC机械设计示意图4
双极两体ESC需要连接的部分主要为最中间的气路,两个电极(ESCDC和ESCRF),CenterTap(DCBias),测温传感器,以及水路。
InterfaceBox
图22.双极ESC接口盒内部布局示意图
●InterfaceBox整合了通往ESC的电气通路,包括ESCDC、ESCRF、TC等。
●RFMatch:
使Cosφ为50Ω,使相同输入功率下的电压和电流最小。
●RFCable:
Cable本身耐压问题不大。
但是RFCable需要一定的耐电流能力(40安培),对于RFCable的安全,有一个标准,就是正常工作时的金属接头部分的温度低于65摄氏度。
●RFGasket:
Gasket保证了RF不泄漏,可使用诱电线圈保持InterfaceBox盖子与盒子之间良好的接触。
●InterfaceBox竞争对手为铸铝做成,盒子接地。
耐压能力要求不高,问题不大。
主要是耐电流能力需要考虑,假如RF电流达到40安培,则比较难选择合适的RFCable。
●假如下电极只有一个RF,则A、B两点是标准的正弦波,假如有其他频率的RF网络,则二次谐波很厉害。
●A、B、C三点对地绝缘要求大于3000V(对地最高电压可能为2000V)。
●电感器可选择OHMITE公司产品,为空心电感,型号Z-7,Z-14等。
注意这里不能使用铁芯电感,因为铁芯电感会导致线圈扎数变少,流过电流后线圈容易过热导致出现问题。
60MHzRF也可以使用此电感。
此电感在60MHz频率下即作为电感,也作为电容器。
而隔直电路中也需要电容器,因此使用起来没有问题。
●对于高频电感、电容的谐振频率问题,可不用过多考虑,因为通过计算谐振频率而选定的电容电感并不合适。
而通过实验,以上的电感使用起来并没有问题。
VoltageonTerminals
●Thevoltage(referencetoground)ontheterminalisthesumoftheDCbias,chuckingvoltageandthepeakRFvoltage
●Terminalstogroundinsulationmustbedesignedto>
3000v.
●Suggest:
⏹Under2kW,for3kvinsulation:
spacing20mm;
creepage30mm
⏹Onprintedcircuitboard:
3.1mm/1000v.
电路绝缘设计:
2千瓦功率下,3000伏绝缘需要空间距离20mm(空气绝缘),假如采用绝缘柱等支撑材料,这要求相对于空间距离的1.5倍距离,即30mm绝缘。
在印刷电路板上,绝缘距离为3.1mm/1000V。
另外,应查一下RFPower的电力隔离标准。
图23.双极ESC接口盒电气等效图
CrAssembly
●HighRFcurrent,20amps
ATC100CMSmultilayercapacitor,eachleg4*470pf(whatisthecurrent?
●Copperbarsserveasheatsinks.
●In-outconnectionsuse#10screws.
●Allsilverplated.
●TEFLONbase.
⏹PTFE:
Maximumoperationtemperature260C
⏹FEP:
Maximumoperationtemperature205C
●Maintainspacingandcreepage.
图24.双极ESC接口盒隔直电容电路电气安装示意图
隔直电容器不要用PCB板安装,要用镀银铜条安装。
并充分考虑相互之间的绝缘及隔热设计。
电容器选择ATC公司(AMERICANTECHNICALCERAMICS)产品。
隔直电容器可选择4个560pF并联隔直即可。
ATC100系列即可。
竞争对手几千个腔室证明其可靠性。
注意,隔离绝缘是一个空间概念,PIBBox上盖也需要尊从隔离绝缘设计概念。
即上盖距离电容器、电感器、接头的距离也需要考虑。
FilterAssembly
●Becauseoflowheatdissipation,aprintedcircuitboardcanbeused.
●KeycomponentL1,useZ-14RFchoke,44μH.ItisawirewoundaircoreinductorfromOHMITE
●TEFLONbase
●Maintainspacingandcreepage
图24.双极ESC接口盒滤波电路电气安装示意图
滤波电路因不通过电流,功率很小,因此可以使用印刷电路板设计,电容只要耐压3000V就可以了。
电感选用高频电感Ohimit公司即可。
竞争对手资料中的2H电感,是测量Wafer是否被放置在E-Chuck上使用的,但效果并不好,因此在随后的设计过程中去除了。
RFCableAssembly
●FindaRFconnectormanufacturertodesignandbuildthiscable
●Siliconewire,20kv,Max250C(forlongterm,maybecracked)
●Theskindepthofcopper@13.56MHisabout20μm
●Ifthelinecurrentdensityisabout2a/mmontheperimeter,thentheconductortemperaturemayhit200C.
●AWG#8strandwire,133conductors,silverplated,3.7mminconductordiameter.
●#10ringlug
●Inputshrinktubprotection
图25.分体ESC接口电缆示意图
两体式ESCRF&
DC接头形式如上图所示,此插头在拔出、插入时都要保证不能够移动,插头上下也不能够