CN103698068B - 一种静电卡盘基本性能检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了集成电路制造领域的一种静电卡盘基本性能检测装置及其检测方法。本发明提供了一种能够准确测量静电卡盘静电吸附力、晶圆脱附时间和晶圆表面温度等技术指标的装置和方法；其中，装置由驱动装置、传动装置、拉力传感器、温度测量装置、静电卡盘、真空腔室、真空获得装置和数据采集***组成；所述驱动装置输出直线力，克服晶圆与静电卡盘之间的静摩擦力拉动晶圆，利用摩擦学原理换算得到静电力大小和晶圆脱附时间；通过红外测温仪实时采集和读取晶圆表面温度。本发明实现了上述三种检测功能的有效集成，适应性广，可用于等离子体环境中，能有效保证真空腔室的密封性。操作方便，不会造成晶圆变形和破损，测量精度高。

Description

一种静电卡盘基本性能检测装置及其检测方法

技术领域

本发明属于集成电路制造领域，尤其涉及一种静电卡盘基本性能检测装置及其检测方法。

背景技术

当前在集成电路（IC）制造的过程中，广泛采用静电卡盘设备，静电卡盘利用静电吸附原理将待加工晶圆吸附在其表面，并可通过背吹气体来控制晶圆表面的温度。它通常放置在真空工艺腔室底部，一般包含基座和基座上面的介电层，晶圆置于由导热性好的陶瓷制成的介电层之上，给埋设在介电层中的电极接入直流电源，介电层表面会产生极化电荷，进而在晶圆表面的相应位置感生出异性极化电荷，通过这种在介电层和晶圆之间形成的库仑力或J-R力，将晶圆牢牢吸附固定在静电卡盘上。同时，在静电卡盘中通入惰性气体如氦气，使其均匀分散到静电卡盘上表面，利用氦气背吹实现晶圆和静电卡盘的热交换，再由静电卡盘内部的循环冷却水将热量带走，最终起到调节晶圆温度的目的。另一方面，晶圆在加工完成后，需要及时解除吸附状态（脱附），一般当断开直流电源后，由于残余电荷的存在，静电力并不能立刻消失，此时晶圆若被顶针顶起或被机械手抓取，很容易发生破裂，故脱附时间应尽量短。

因此，静电卡盘的静电吸附力、晶圆脱附时间和晶圆温度成为静电卡盘重要的性能指标。静电力过小，不能平衡背吹气体压力，无法固定晶圆；静电力过大，一则延长了脱附时间，使生产效率降低，二则对充盈在晶圆与静电卡盘间隙中的氦气背吹产生影响，间接影响到对晶圆的温控效果。而工艺过程对晶圆温度的要求很严格，温度高低及其均匀性直接关系到产品的最终加工质量和良品率。所以，准确地测定出静电卡盘的静电力大小、晶圆脱附时间以及晶圆温度分布状况，就显得十分必要。

现有的检测装置普遍采用竖直向上提拉晶圆的方式进行静电力的测量，但由于晶圆面积较大，在提拉过程中往往受力不均而出现局部先行脱附的现象，难以保证晶圆整体均匀脱附，不仅会使测量误差增大，还容易造成晶圆变形甚至破裂。同时，晶圆上方的传动部件遮挡了真空腔室中等离子体的一部分作用面积，影响了晶圆上方的鞘层分布，也会加大测量误差。此外，传动部件与腔室上壁通常为动密封方式，密封效果往往满足不了腔室高真空度的要求。还有，现有的检测装置无法同时测量静电吸附力、晶圆脱附时间和晶圆温度这三项基本性能指标，应用范围具有较大局限性。

发明内容

针对背景技术中提到的现有静电卡盘检测装置测量误差大、易损伤晶圆、腔室密封性不佳、无法应用于等离子体环境等不足，本发明提出了一种静电卡盘基本性能检测装置及其检测方法。

一种静电卡盘基本性能检测装置，其特征在于，所述装置包括驱动装置、传动装置、拉力传感器、静电卡盘、真空腔室、真空获得装置、温度测量装置和数据采集***；所述驱动装置包括气泵、气缸和气动控制装置；所述气动控制装置包括压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀；

其中，所述气泵置于真空腔室外，固定在实验台面上，气泵的两根气管从真空腔室的侧壁穿过，与气缸上的对应接口相连；所述气缸固定在真空腔室内部的底座上；所述气缸的活塞杆与拉力传感器相联；所述压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀安装在气泵和气缸之间的管路上，用于对气缸的活塞杆的运动位置、运动速度和输出力大小进行控制；

所述传动装置、拉力传感器和静电卡盘安装于真空腔室内；所述传动装置分别与所述拉力传感器与晶圆相连接；所述静电卡盘安装在真空腔室底部；

所述真空获得装置位于真空腔室下方，通过法兰盘与真空腔室底部的真空抽气孔连接；所述真空获得装置包括机械泵和分子泵；

所述温度测量装置位于真空腔室外；所述温度测量装置包括红外测温仪及红外测温仪支架，红外测温仪固定在红外测温仪支架上，红外测温仪支架安装于实验台上；

所述数据采集***通过通用快速接口分别与拉力传感器和温度测量装置的电缆线连接，用于实时采集和读取拉力传感器和温度测量装置的拉力大小和温度数值。

所述驱动装置还包括密封块和气缸支架；所述气泵的两根气管与真空腔室侧壁之间通过密封块实现静密封；所述气缸通过气缸支架固定在真空腔室内部的底座上。

所述传动装置包括连接块和粘结环；所述连接块的外伸轴与拉力传感器相联，连接块通过螺栓与粘结环连接固定；所述粘结环包括上粘结环和下粘结环两部分，通过均匀涂胶的方式，分别与晶圆的上表面边缘一段、侧面一段和下表面边缘一段粘结。

所述真空腔室包括上盖板、真空计、远程等离子体输入口、观察窗、温度采集窗口和线缆管路传输端口；其中，所述上盖板与真空腔室体之间通过卡箍控制上盖板开启和关闭，上盖板与真空腔室体之间通过密封圈实现静密封；所述真空计安装在真空腔室外部侧壁，用于实时监测腔室内的真空度；所述远程等离子体输入口位于上盖板的中央；所述观察窗位于真空腔室侧壁；所述温度采集窗口安装于真空腔室侧壁，实现温度测量装置通过该窗口对晶圆表面各点温度数值进行采集和读取；所述线缆管路传输端口位于真空腔室底部。

所述密封圈采用O型密封圈。

所述拉力传感器的数据传输线、静电卡盘的电源线缆和静电卡盘的背吹气体管路从线缆管路传输端口引出。

一种检测静电卡盘静电力的方法，其特征在于，所述方法具体步骤为：

步骤1：真空腔室外的气泵通过气管为真空腔室内的气缸提供压缩空气，使气缸的活塞杆通过传动装置，水平拉拽静电卡盘上的晶圆；

步骤2：调节气缸的压力，使气缸活塞杆施加给晶圆的拉力由零缓慢增大；使晶圆与静电卡盘之间将产生静摩擦力；

步骤3：逐渐增大拉力，当拉力等于最大静摩擦力时，晶圆由静止开始沿静电卡盘上表面滑动；此时，拉力传感器采集的拉力曲线出现的一个峰值，该峰值即等于最大静摩擦力；

步骤4：根据库仑摩擦定律，最大静摩擦力等于正压力与静摩擦系数的乘积；而静电卡盘与晶圆之间的静电吸附力等于正压力，从而得到静电卡盘与晶圆之间的静电吸附力。

所述静摩擦系数的测定的过程为：

步骤a：使静电卡盘处于通电工作状态，保持对晶圆的原有静电吸附力F_e，同时在晶圆上方放置重量为G₁的均质绝缘圆盘；

步骤b：此时静电力和机械压力共同作用于晶圆，气泵提供动力，使气缸的活塞杆水平拉拽晶圆；根据库仑定律，有

f₁=μ(F_e+G₁)

步骤c：增加晶圆上方重物的重量至G₂，使气缸的活塞杆水平拉拽晶圆；根据库仑定律，有

f₂=μ(F_e+G₂)

步骤d：将步骤b和c的两式相减，得到相对应静摩擦系数：

$\mathrm{\μ}=\frac{f_2-f_1}{G_2-G_1}$

其中，f₁和f₂分别为两次测量时拉力传感器显示的拉力峰值；G₁和G₂分别为两次测量时加载重物的重量；

步骤e：不断调整加载重物的重量，形成G₁和G₂的多种组合，重复步骤a～步骤d，再通过拉力传感器读取相应的f₁和f₂，即可求出不同组合所对应的静摩擦系数μ；

步骤f：取多次实验计算出的静摩擦系数μ的平均值，即得到晶圆下表面与静电卡盘上表面之间的静摩擦系数

一种检测静电卡盘晶圆脱附时间的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1）：使静电卡盘处于通电工作状态，气泵驱动气缸的活塞杆，通过传动装置向晶圆施加水平拉力，当拉力传感器的读数达到由晶圆自重产生的最大静摩擦力的1.1～1.2倍时，保持该拉力大小不变；

步骤2）：在t₁时刻断开静电卡盘电源，记录拉力传感器读数开始减小的时刻t₂；则t₂－t₁即为晶圆的脱附时间。

一种检测静电卡盘晶圆温度的方法，其特征在于，在晶圆温度的测量过程中，位于真空腔室外的红外测温仪通过温度采集窗口，实时采集和读取真空腔室内部处于工作状态的晶圆上表面各点处的温度数值。

本发明的有益效果是：

1.本静电卡盘检测装置实现了静电力大小测量、晶圆脱附时间测量和晶圆表面温度测量等三项功能的综合集成；

2.本静电卡盘检测装置原理简单、操作方便、测量精度高；

3.本静电卡盘检测装置中的气缸活塞杆行程很小，因而结构紧凑，可有效节省空间；

4.本静电卡盘检测装置避免了现有的向上提拉式检测装置对晶圆上方的等离子体遮挡，可应用于等离子体环境中；

5.本静电卡盘检测装置所有密封部位均为静密封，克服了现有检测装置由于传动部分采用动密封而带来的腔室密封性难以达到要求的弊端；

6.本静电卡盘检测装置消除了现有检测方法易造成晶圆变形或碎裂的可能性，整个测量过程晶圆保持平坦。

附图说明

图1为本发明提供的静摩擦系数测定原理示意图；其中，（a）放置重物G₁时，晶圆加载示意图；（b）放置重物G₂时，晶圆加载示意图；

图2为本发明提供的静电卡盘检测装置外部结构示意图；

图3为本发明提供的静电卡盘检测装置内部结构示意图；

图4为本发明提供的静电卡盘检测装置驱动及传动装置示意图；

图5为本发明提供的静摩擦系数测定实验装置示意图；

其中，1-上盖板；2-卡箍；3-密封块；4-气管；5-气泵；6-观察窗；7-分子泵；8-机械泵；9-实验台；10-红外测温仪支架；11-红外测温仪；12-温度采集窗口；13-远程等离子体输入口；14-晶圆；15-气缸；16-气缸支架；17-线缆管路传输端口；18-真空抽气孔；19-静电卡盘；20-真空计；21-粘结环；22-拉力传感器；23-气缸的活塞杆；24-连接块；25-加载绝缘圆盘。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图2～图4分别为本发明提供的静电卡盘检测装置外部结构示意图、静电卡盘检测装置内部结构示意图、静电卡盘检测装置驱动及传动装置示意图。如图2到图4所示：

一种静电卡盘基本性能检测装置，其特征在于，所述装置包括驱动装置、传动装置、拉力传感器、静电卡盘、真空腔室、真空获得装置、温度测量装置和数据采集***；所述驱动装置包括气泵5、气缸15和气动控制装置；所述气动控制装置包括压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀；

其中，所述气泵5置于真空腔室外，固定在实验台9面上，气泵5的两根气管4从真空腔室的侧壁穿过，与气缸5上的对应接口相连；所述气缸5固定在真空腔室内部的底座上；所述气缸的活塞杆23与拉力传感器22相联；所述压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀安装在气泵和气缸之间的管路上，用于对气缸的活塞杆的运动位置、运动速度和输出力大小进行控制；

所述传动装置、拉力传感器22和静电卡盘19安装于真空腔室内；所述传动装置分别与所述拉力传感器22与晶圆14相连接；所述静电卡盘19安装在真空腔室底部；

所述真空获得装置位于真空腔室下方，通过法兰盘与真空腔室底部的真空抽气孔18连接；所述真空获得装置包括机械泵8和分子泵7；

所述温度测量装置位于真空腔室外；所述温度测量装置包括红外测温仪11及红外测温仪支架10，红外测温仪11固定在红外测温仪支架10上，红外测温仪支架10安装于实验台上；

所述数据采集***通过通用快速接口分别与拉力传感器22和温度测量装置的电缆线连接，用于实时采集和读取拉力传感器和温度测量装置的拉力大小和温度数值。

所述驱动装置还包括密封块3和气缸支架16；所述气泵5的两根气管4与真空腔室侧壁之间通过密封块3实现静密封；所述气缸5通过气缸支架16固定在真空腔室内部的底座上。

所述传动装置包括连接块24和粘结环21；所述连接块24的外伸轴与拉力传感器22相联，连接块24通过螺栓与粘结环21连接固定；所述粘结环21包括上粘结环和下粘结环两部分，通过均匀涂胶的方式，分别与晶圆14的上表面边缘一段、侧面一段和下表面边缘一段粘结；使驱动装置的输出拉力在晶圆14上分散开来，避免晶圆14局部受力过大而破损。

所述真空腔室包括上盖板1、真空计20、远程等离子体输入口13、观察窗6、温度采集窗口12和线缆管路传输端口17；其中，所述上盖板1与真空腔室体之间通过卡箍2控制上盖板1快速开启和关闭，上盖板1与真空腔室体之间通过O型密封圈实现静密封；所述真空计20安装在真空腔室外部侧壁，用于实时监测腔室内的真空度；所述远程等离子体输入口13位于上盖板1的中央；有利于等离子体快速、均匀地充满整个腔室；所述观察窗6位于真空腔室侧壁；所述温度采集窗口12安装于真空腔室侧壁，实现温度测量装置通过该窗口对晶圆14表面各点温度数值进行采集和读取；所述线缆管路传输端口13位于真空腔室底部。

所述拉力传感器22的数据传输线、静电卡盘19的电源线缆和静电卡盘19的背吹气体管路从线缆管路传输端口13引出。

一种检测静电卡盘静电力的方法，其特征在于，所述方法具体步骤为：

步骤1：真空腔室外的气泵5通过气管4为真空腔室内的气缸15提供压缩空气，使气缸15的活塞杆通过传动装置，水平拉拽静电卡盘19上的晶圆14；

步骤2：调节气缸15的压力，使气缸的活塞杆23施加给晶圆14的拉力由零缓慢增大；使晶圆14与静电卡盘19之间将产生静摩擦力；

步骤3：逐渐增大拉力，静摩擦力也随之逐渐增大；当拉力等于最大静摩擦力时，晶圆14由静止开始沿静电卡盘19上表面滑动；一旦进入运动状态，由于动摩擦力略小于静摩擦力，因而气缸活塞杆的拉力会略有下降；此时，拉力传感器22采集的拉力曲线出现的一个峰值，该峰值即等于最大静摩擦力；

步骤4：根据库仑摩擦定律，最大静摩擦力等于正压力与静摩擦系数的乘积；而静电卡盘19与晶圆14之间的静电吸附力就相当于正压力，从而得到静电卡盘19与晶圆14之间的静电吸附力。

所述静摩擦系数测定实验装置示意图如图5所示；所述静摩擦系数的测定的过程为：

步骤a：使静电卡盘19处于通电工作状态，保持对晶圆14的原有静电吸附力F_e，同时在晶圆14上方放置量为G₁的均质绝缘圆盘25；

步骤b：此时静电力和机械压力共同作用于晶圆14，气泵5提供动力，使气缸的活塞杆23水平拉拽晶圆；晶圆加载示意图如图1（a）所示；根据库仑定律，有

f₁=μ(F_e+G₁)

步骤c：增加晶圆上方重物的重量至G₂，且G₂>G₁，使气缸的活塞杆23水平拉拽晶圆14；晶圆加载示意图如图1（b）所示；根据库仑定律，有

f₂=μ(F_e+G₂)

步骤d：将步骤b和c的两式相减，得到相对应静摩擦系数：

$\mathrm{\μ}=\frac{f_2-f_1}{G_2-G_1}$

其中，f₁和f₂分别为两次测量时拉力传感器显示的拉力峰值；G₁和G₂分别为两次测量时加载重物的重量；

步骤e：不断调整加载重物的重量，形成G₁和G₂的多种组合，重复步骤a～步骤d，再通过拉力传感器读取相应的f₁和f₂，即可求出不同组合所对应的静摩擦系数μ；

步骤f：取多次实验计算出的静摩擦系数μ的平均值，即得到晶圆14下表面与静电卡盘19上表面之间的静摩擦系数

一种检测静电卡盘晶圆脱附时间的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1）：使静电卡盘19处于通电工作状态，气泵5驱动气缸的活塞杆23，通过传动装置向晶圆14缓慢施加水平拉力，当拉力传感器22的读数达到由晶圆14自重产生的最大静摩擦力的1.1～1.2倍时，保持该拉力大小不变；

步骤2）：在t₁时刻断开静电卡盘19电源，记录拉力传感器22读数开始减小的时刻t₂；则t₂－t₁即为晶圆14的脱附时间。

一种检测静电卡盘晶圆温度的方法，其特征在于，在晶圆14温度的测量过程中，位于真空腔室外的红外测温仪11通过温度采集窗口12，实时采集和读取真空腔室内部处于工作状态的晶圆14上表面各点处的温度数值。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种静电卡盘基本性能检测装置，其特征在于，所述装置包括驱动装置、传动装置、拉力传感器、静电卡盘、真空腔室、真空获得装置、温度测量装置和数据采集***；所述驱动装置包括气泵、气缸和气动控制装置；所述气动控制装置包括压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀；

其中，所述气泵置于真空腔室外，固定在实验台面上，气泵的两根气管从真空腔室的侧壁穿过，与气缸上的对应接口相连；所述气缸固定在真空腔室内部的底座上；所述气缸的活塞杆与拉力传感器相联；所述压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀安装在气泵和气缸之间的管路上，用于对气缸的活塞杆的运动位置、运动速度和输出力大小进行控制；

所述传动装置、拉力传感器和静电卡盘安装于真空腔室内；所述传动装置分别与所述拉力传感器与晶圆相连接；所述静电卡盘安装在真空腔室底部；

所述传动装置包括连接块和粘结环；所述连接块的外伸轴与拉力传感器相联，连接块通过螺栓与粘结环连接固定；所述粘结环包括上粘结环和下粘结环两部分，通过均匀涂胶的方式，分别与晶圆的上表面边缘一段、侧面一段和下表面边缘一段粘结；

所述真空获得装置位于真空腔室下方，通过法兰盘与真空腔室底部的真空抽气孔连接；所述真空获得装置包括机械泵和分子泵；

所述温度测量装置位于真空腔室外；所述温度测量装置包括红外测温仪及红外测温仪支架，红外测温仪固定在红外测温仪支架上，红外测温仪支架安装于实验台上；

所述数据采集***通过通用快速接口分别与拉力传感器和温度测量装置的电缆线连接，用于实时采集和读取拉力传感器和温度测量装置的拉力大小和温度数值。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述驱动装置还包括密封块和气缸支架；所述气泵的两根气管与真空腔室侧壁之间通过密封块实现静密封；所述气缸通过气缸支架固定在真空腔室内部的底座上。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述真空腔室包括上盖板、真空计、远程等离子体输入口、观察窗、温度采集窗口和线缆管路传输端口；其中，所述上盖板与真空腔室体之间通过卡箍控制上盖板开启和关闭，上盖板与真空腔室体之间通过密封圈实现静密封；所述真空计安装在真空腔室外部侧壁，用于实时监测腔室内的真空度；所述远程等离子体输入口位于上盖板的中央；所述观察窗位于真空腔室侧壁；所述温度采集窗口安装于真空腔室侧壁，实现温度测量装置通过该窗口对晶圆表面各点温度数值进行采集和读取；所述线缆管路传输端口位于真空腔室底部。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述密封圈采用O型密封圈。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述拉力传感器的数据传输线、静电卡盘的电源线缆和静电卡盘的背吹气体管路从线缆管路传输端口引出。

6.一种使用权利要求1所述装置的检测静电卡盘静电力的方法，其特征在于，所述方法具体步骤为：

步骤1：真空腔室外的气泵通过气管为真空腔室内的气缸提供压缩空气，使气缸的活塞杆通过传动装置，水平拉拽静电卡盘上的晶圆；

步骤2：调节气缸的压力，使气缸活塞杆施加给晶圆的拉力由零缓慢增大；使晶圆与静电卡盘之间将产生静摩擦力；

步骤3：逐渐增大拉力，当拉力等于最大静摩擦力时，晶圆由静止开始沿静电卡盘上表面滑动；此时，拉力传感器采集的拉力曲线出现的一个峰值，该峰值即等于最大静摩擦力；

步骤4：根据库仑摩擦定律，最大静摩擦力等于正压力与静摩擦系数的乘积；而静电卡盘与晶圆之间的静电吸附力等于正压力，从而得到静电卡盘与晶圆之间的静电吸附力。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述静摩擦系数的测定的过程为：

步骤a：使静电卡盘处于通电工作状态，保持对晶圆的原有静电吸附力F_e，同时在晶圆上方放置重量为G₁的均质绝缘圆盘；

步骤b：此时静电力和机械压力共同作用于晶圆，气泵提供动力，使气缸的活塞杆水平拉拽晶圆；根据库仑定律，有

f₁＝μ(F_e+G₁)

步骤c：增加晶圆上方重物的重量至G₂，使气缸的活塞杆水平拉拽晶圆；根据库仑定律，有

f₂＝μ(F_e+G₂)

步骤d：将步骤b和c的两式相减，得到相对应静摩擦系数：

$\mathrm{\μ}=\frac{f_2-f_1}{G_2-G_1}$

其中，f₁和f₂分别为两次测量时拉力传感器显示的拉力峰值；G₁和G₂分别为两次测量时加载重物的重量；

步骤e：不断调整加载重物的重量，形成G₁和G₂的多种组合，重复步骤a～步骤d，再通过拉力传感器读取相应的f₁和f₂，即可求出不同组合所对应的静摩擦系数μ；

步骤f：取多次实验计算出的静摩擦系数μ的平均值，即得到晶圆下表面与静电卡盘上表面之间的静摩擦系数

8.一种使用权利要求1所述装置的检测静电卡盘晶圆脱附时间的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1)：使静电卡盘处于通电工作状态，气泵驱动气缸的活塞杆，通过传动装置向晶圆缓加水平拉力，当拉力传感器的读数达到由晶圆自重产生的最大静摩擦力的1.1～1.2倍时，保持该拉力大小不变；

步骤2)：在t₁时刻断开静电卡盘电源，记录拉力传感器读数开始减小的时刻t₂；则t₂－t₁即为晶圆的脱附时间。

9.一种使用权利要求1所述装置的检测静电卡盘晶圆温度的方法，其特征在于，在晶圆温度的测量过程中，位于真空腔室外的红外测温仪通过温度采集窗口，实时采集和读取真空腔室内部处于工作状态的晶圆上表面各点处的温度数值。