ESC基础培训08111.docx
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ESC基础培训08111
ElectrostaticChuckBasic
LuChiangLiang
7/25/2010
CoulombicChuck
●Coulombicforceoncapacitor
●ε:
alumina8.5;quartz3.9;PTFE2.1
图1.库仑原理图示
ESC原理是很简单的，依靠静电引力将硅片吸引在ESC上。
静电引力即库仑力，大小受到距离及介质影响，也与电压相关。
●Wherearethecharges?
●Monopolarchuck:
thechuckingvoltageapplytothewaferthroughthechamberplasma
图2.单极ESC原理示意图
单极ESC形成库仑力需要借助Plasma，从而导通Wafer与腔室壁，形成回路，类似电容充电。
因此单极ESC与Wafer形成库仑力需要一定的外部条件。
●Bipolarchuck:
equivalenttotwocapacitorsinseries
图2.双极ESC原理示意图
双极ESC相当于两个电容的串连，无需借助外界条件，存在Wafer，加载ESCDC，即形成静电引力，从而吸附Wafer。
图3.双极ESC电路等效图
●Canawaferwithaglasscarrierbechucked?
图4.特殊硅片Chucking原理示意图
特殊形式硅片，例如背面加载一层玻璃的硅片（TSV玻璃Wafer）也是可以形成静电引力的，但形成库仑力的几个要素都需要重新考虑，比如间距、介质等都需要考虑玻璃的因素而改变。
另外，TSV玻璃会导致硅片变形，影响ChuckingForce非常严重。
Johnsen-RahbekChuck
•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。
BipolarE-chuckchuckingscheme
●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:
⏹Kyocera:
1E+9Ω-cmto1E+10Ω-cm,@50⁰C,at300V;
⏹NGK:
3E+9Ω-cmto3E+10Ω-cm,@20⁰C,at300V.Resistivityshouldnotincreasedby3Xat10V
●Chuckingforce:
⏹Kyocera:
forflatsurface100g/cm²（testtool?
Location?
）
⏹NGK:
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。
LowTempCeramicPuck
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。
●RFCable：
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
●Suggest:
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
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