ESC基础培训-1

1、.Electrostatic Chuck Basic2Coulombic Chuck2Johnsen-Rahbek Chuck4Bipolar E-chuck chucking scheme6Bipolar E-chuck chucking scheme7Bipolar E-chuck dechucking scheme9Bipolar E-chuck Schematics10Bipolar E-chuck Operation Scheme10Monopolar E-chuck12Monopolar E-chuck Schematics13Low Temp Ceramic Puck14Low

2、Temp Ceramic Puck: Embossment15Low Temp Ceramic Puck16Low Temp E-chuck Puck: Electrodes16Low Temp E-chuck17Interface Box19Voltage on Terminals19Cr Assembly20Filter Assembly21RF Cable Assembly21RF Cable Assembly22Bipolar E-chuck Power Supply23TC and TC Amplifier24Power Supplies Configuration25Surface

3、 Contamination26Electrostatic Chuck BasicLu Chiang Liang7/25/2010Coulombic Chuckl Coulombic force on capacitorF = AE = A(V/d)E = V/dl : alumina 8.5; quartz 3.9; PTFE 2.1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。l Where are the charges?l Monopolar chuck: the chucking voltage a

4、pply to the wafer through the chamber plasma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。l Bipolar chuck: equivalent to two capacitors in series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ESC DC，即形成静电引力，从而吸附Wafer。图3. 双极ESC电路等效图l Can a wafer with a gla

5、ss carrier be chucked? 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Chucking Force非常严重。Johnsen-Rahbek Chuck Low resistivity puck JR current must present Rg Re, therefore Vg 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-Chu

6、ck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。 Field emission take placeEg = E - Ef Where are the charges?Fj Eg = Vg/d Field emission saturation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

7、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。 Sensitive to particles How about the wafer with glass carrier?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。Bipolar E-chuck chucking schemel Power supply must be floatingl With DC bias pre

8、senting during processing, one side grounded power supply causes unbalanced chucking force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RF Bias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EC Bias电位相同。Bipolar E-chuck chucking schemel Once w

9、e float the power supply, the terminal A (or B) to ground potential is unknown. l Therefore the chucking voltages could be unbalanced.l The solution is center tap connectionl Direct connectionl Capacitor divider图10. 双极ESC无DC Bias反馈示意图当ESC DC GND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ESC DC GND被悬浮了，只能够知道A、B两端间的

10、电压差。因此简单悬浮ESC DC GND也不可行。图11. 双极ESC有DC Bias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DC Bias。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DC Bias反馈示意图2在无法准确测量或获得DC Bias的情况下，通过调节参考电位，将参考电位调解到估算的DC Bias的情况也是可行的。Bipolar E-chuck dechucking schemel Residual charges on E-chuck and wafer surface a

11、nd electrodes. l Sources of residual charges: n leakage current (in tens of nA for high resistivity chuck) bring charges to the surface; n wafer rubbing; n trapping space charges, 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

12、室其他位置转移来的电荷。l For the leak current charges, the polarity is predictable, apply the reversed voltage properly could remove some of the charges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。l Ground electrodes while power off is also helpfulESC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。l For other charges

13、, dechucking with plasma, can effectively remove them. But this method can not be applied to current PVD chambers.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。l For low resistivity E-chuck, the charges on chuck surface can escape to ground readily. But the residual charges on the

14、 6k or 10k wafer surface are hard to escape. So far it is still an issue.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Bipolar E-chuck Schematics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

15、，一般用器件搭。ESC DC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。l Cu腔室起辉状态下，电阻为几个欧母，但角度很大。l Ta腔室可能有7080欧母，角度也很大。l 从A和B向HV RF Filter看，电阻应为510K欧母，电流在mA级别。l 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VI Probe在RF进口处，测量电流、电压以及电位。l 竞争对手的High RF Current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。Bipolar E-chuck Operati

16、on Scheme图14. E-Chuck工作电压时序图l T1T2：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。l T2T3：此时Chucking电压保持在450V550V，持续时间约为12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。l T3T4：T3为工艺开始时间，也是Gas进气开始时间，T3T4

17、 E-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。l T4T5：普通硅片在JR型SLT ESC中并不需要，即由于低电阻率，JR型SLT ESC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Monopolar E-chuckl Chucking: Need plasma to close the chucking path. The polarity of the chucking vol

18、tage could be required by customersl Dechucking problems: n If plasma extinguished, Unable to discharge the chucking voltage Vc while turning off the PS; Need some type of plasma to discharge Vcn Residual charges issues remain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-Ch

19、ucking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ESC DC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DC Bias。由于DC Bias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，ESC DC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Monopolar E-chuck Schematics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R

20、F Filter电路。假如没有传感器直接测定DC Bias电压，则可根据RF输出电流、电压关系计算出DC Bias电压。从而更改ESC DC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DC Bias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，DC Bias并非一成不变，某些难以说明的偶发问题可能和DC Bias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Cable Connector温度低于65摄氏度即可。PIB Box内部，E

21、SC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13.56M Hz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。Low Temp Ceramic Puckl Ceramic material: AlNn Kyocera: AN2010;n NGK: xxx37;l Resistivity:n Kyocera: 1E+9 -cm to 1E+10 -cm, 50C, at 300V;n NGK: 3E+9 -

22、cm to 3E+10 -cm, 20 C, at 300V. Resistivity should not increased by 3X at 10Vl Chucking force:n Kyocera: for flat surface 100 g/cm (test tool? Location?)n NGK: pop off testn 12 torr at 500V in vacuum chamber (no wafer read 3000v.l Suggest:n Under 2kW, for 3kv insulation: spacing 20mm; creepage 30mmn

23、 On printed circuit board: 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RF Power的电力隔离标准。图23. 双极ESC接口盒电气等效图Cr Assemblyl High RF current, 20 ampsl Suggest: ATC 100C MS multilayer capacitor, each leg 4*470pf (what is the curren

24、t?)l Copper bars serve as heat sinks. l In-out connections use #10 screws. l All silver plated.l TEFLON base. n PTFE : Maximum operation temperature 260Cn FEP: Maximum operation temperature 205Cl Maintain spacing and creepage. 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

25、ATC公司（AMERICAN TECHNICAL CERAMICS）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，PIB Box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。Filter Assemblyl Because of low heat dissipation, a printed circuit board can be used.l Key component L1, use Z-14 RF choke, 44H. It is a wirewound air

26、core inductor from OHMITEl TEFLON basel Maintain spacing and creepage 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EChuck上使用的，但效果并不好，因此在随后的设计过程中去除了。RF Cable Assemblyl Find a RF connector manufacturer to design and build this cabl

27、el Silicone wire, 20kv, Max 250C (for long term, may be cracked)l The skin depth of copper 13.56MH is about 20 ml If the line current density is about 2a/mm on the perimeter, then the conductor temperature may hit 200C. l AWG #8 strand wire, 133 conductors, silver plated, 3.7mm in conductor diameter

28、.l #10 ring lugl Input shrink tub protection图25. 分体ESC接口电缆示意图两体式ESC RF&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，插头上下也不能够移动，否则会影响到接触，接触电阻过大容易发热。此电缆不能够使用Cross Cable（地回路不进入此电缆的此段），建议使用硅橡胶外皮的电缆，因为硅橡胶材料电缆非常软，但要注意设计时保证电缆移动过程中不被金属板切割。使用硅橡胶Cable极限温度250摄氏度，耐压2000V。经验：使用美标8号电缆，内有133股线，镀银，直径37mm。建议：进出加热缩套管，外头再使用铁管包住，保证

29、移动时不会被锐利物体割破。接头处使用圆片状接线端子，表面镀银/金。建议：所有连接处都使用镀银/金方式保证良好连接。经验：SLT ESC可靠性很高，根据竞争对手经验，25万片免维护。经验：低电压、高Chucking Force对工艺很重要，假如电压过高，这容易造成硅片破碎，对于E-Chuck使用寿命也有负面影响。RF Cable Assemblyl Another optionl Match output RF cableBipolar E-chuck Power Supply l Floating output, all terminals to ground insulation volta

30、ge 3000Vl Output voltage Vab: reversible + 2000V (?)l Output current: +2mA (?)l Setpoint: + 5Vl Output voltage read back: +5vl Output current read back(?)l Control signals and output are isolatedl Need to develop a specificationl Potential suppliers: Spellman, Comdell Comdel requires +15vA、 B两点的漏电流可

31、能是不一样的，因为有一些漏电流可能从Center Tap中走过。经验：SLT ESC可以不监控漏电流，因为漏电流会非常小，基本为微安级别，以至于无法检测到。注意：24V Com端不是接到腔室Body上的，15V的GND是Signal Common。经验：DC Power Supply是不分库仑型和JR型的。DC Power Supply对于文波的要求不高，线性误差等Specification都没有很高要求。经验：Spellman的好一些，Comdel的质量不是很好，Comdel公司比较小。TC and TC Amplifierl TCn K type TCn 1000v to ground i

32、nsulationn Very expensivel TC Ampn Input-output isolatedn Linear or non-linear output (depending on system software)n Consider Dataforth signal conditioning modelPower Supplies ConfigurationSurface Contaminationl Particles: How to remove the particles? Special wafer with polyimide filml Conductive film: losing chucking force for both coulomb & JR chucksl How to detect the conductive film?l Model 344 Electrostatic voltage meterE-Chuck Eva