CN116798929B - 一种适于吸附晶圆的陶瓷真空吸盘及降低晶圆表面划伤率的生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体行业用陶瓷真空吸盘技术领域，公开了一种适于吸附晶圆的陶瓷真空吸盘及降低晶圆表面划伤率的生产方法。本发明的陶瓷真空吸盘包括吸盘底座和安装在吸盘底座上的多孔陶瓷，多孔陶瓷经以下过程制备得到：以内部烧结密实的碳化硅陶瓷为基体，采用激光烧蚀的方法在碳化硅陶瓷上生成气孔，将碳化硅陶瓷置于氢氟酸溶液中清洗，取出后在异丙醇中超声清洗，再水冲洗；超声功率为20～100W，超声清洗时间≥30min。本发明的陶瓷真空吸盘不容易产生颗粒物脱落和堵塞，初始吸附能力强，长时间使用后吸附能力稳定，而且可根据需要定制吸附结构，能满足高端半导体制程的需求。

Description

一种适于吸附晶圆的陶瓷真空吸盘及降低晶圆表面划伤率的 生产方法

技术领域

本发明涉及半导体行业用陶瓷真空吸盘技术领域，具体涉及一种适于吸附晶圆的陶瓷真空吸盘及降低晶圆表面划伤率的生产方法。

背景技术

半导体制程广泛使用陶瓷真空吸盘作为晶圆的装载和运输装置。陶瓷真空吸盘包括吸盘底座、微孔陶瓷等组件。微孔陶瓷作为陶瓷真空吸盘的吸附组件，经抽取孔隙中的空气形成真空并吸附晶圆，具有吸附力均匀的优点。

但是目前微孔陶瓷多通过烧结时的化学反应生产气孔，或采用有机填充剂烧蚀形成气孔。由于烧结的微孔陶瓷内部反应不充分或造孔的填充物分布不均匀，使得微孔陶瓷内部存在结构薄弱点，在装载或运输晶圆时，由于反复的吸附和充气，微孔陶瓷内部强度差的颗粒就会发生脱落，不仅会堵塞气孔，降低吸盘的吸附能力。同时因无法控制反应的路径以及保障有机填充剂的分布均匀性，烧结出来的微孔陶瓷的气孔无法精确控制气孔路径、气孔大小和均匀性，且有大量的非贯穿性的无效气孔，无效气孔占比达到10%左右，增加了加工难度和清洗难度，加工产生的颗粒物难以清洗干净。这些颗粒物脱落后还可能划伤晶圆表面，不能满足高端制程的使用需求。Bai等（Fabrication of directional SiC porousceramics using Fe₂O₃as pore-forming agent[J]．Materials Letters．2012，78：l92-194．）采用Fe₂O₃作为高温成孔剂制备SiC多孔陶瓷，孔隙率最高可以达80%，但是不涉及对于气孔有效性以及孔内颗粒物的研究。目前也尚未见到如何减少颗粒物产生以提高多孔陶瓷品质的相关报道。

发明内容

针对使用现有微孔陶瓷的陶瓷真空吸盘重复使用后因颗粒物脱落堵塞导致吸附能力下降的问题，本发明的目的在于提供一种适于吸附晶圆的陶瓷真空吸盘，陶瓷真空吸盘在重复使用过程中不容易出现颗粒物堵塞气孔，长时间使用后吸附能力保持稳定。

本发明提供如下的技术方案：

一种适于晶圆吸附的陶瓷真空吸盘，所述陶瓷真空吸盘包括吸盘底座和安装在吸盘底座上的多孔陶瓷，所述多孔陶瓷经以下过程制备得到：

以内部烧结密实的碳化硅陶瓷为基体，采用激光烧蚀的方法在碳化硅陶瓷上生成气孔，将碳化硅陶瓷置于氢氟酸溶液中清洗，取出后在异丙醇中超声清洗，再水冲洗；

超声功率为20～100W，超声清洗时间≥30min。

本发明的陶瓷真空吸盘所用多孔陶瓷以内部烧结密实的碳化硅陶瓷为基体，通过激光烧蚀产生气孔。内部烧结密实的碳化硅陶瓷是指碳化硅陶瓷烧结时内部无化学反应产生气孔或者也不添加有机填充剂造孔，作为非微孔或多孔陶瓷基体。其中碳化硅陶瓷具有结构强度高，不容易发生变形、形状稳定等特点，相比氧化铝硬度不高以及氮化硅陶瓷韧性较高等，更适宜激光烧蚀制备多孔陶瓷。由于内部烧结密实，激光造孔后，不会像传统微孔陶瓷那样内部产生较多的结构薄弱点，不易产生颗粒物脱落。同时激光造孔可以精确控制气孔的尺寸、形状、间距和气孔率，气孔有效性高，甚至可达100%，克服了传统多孔陶瓷清洗难点，孔道清洗较为彻底。在清洗时，碳化硅在激光烧蚀下反应转化成的二氧化硅、熔渣、毛刺等先经氢氟酸清除，再用异丙醇在低超声功率下缓慢清洗，异丙醇相较乙醇等其他试剂溶解亲油物质的能力强，具有更适宜的清洗效果，而且容易挥发，不易吸附空气杂质，超声功率不易过大，否则容易造成孔内的部分连接点损伤，产生结构薄弱点，导致长时间使用后产生颗粒物脱落，降低吸附强度。这样通过适宜的造孔方法和清洗方法相结合，使得陶瓷孔内颗粒物清洗较为彻底，不容易产生颗粒脱落，发生堵塞的概率降低，孔道畅通，陶瓷吸附力强，可以达到更高的真空度，重复使用的性能稳定性高，使用寿命长，且可根据需求定制吸附点位置。将上述多孔陶瓷通过常规装配方法如粘结与吸盘底座或基座组合密封，再经过研磨达到需要的平面度等要求，即得到陶瓷真空吸盘，使本发明提供的陶瓷真空吸盘能满足高端半导体制程的需求。

作为本发明的优选，

激光烧结的功率为20～1000W，和/或激光加工的速度为1～10万 mm/s。激光加工的参数等与孔的大小、形状、分布方式等密切相关。在允许的情况下，加工速度可以达到激光加工允许的速度。所用的激光加工器件为光线准直型激光加工器。

作为本发明的优选，

激光加工的功率为80～200W，和/或激光加工的速度为20～1800 mm/s。

作为本发明的优选，

氢氟酸溶液的质量浓度≥5%，氢氟酸溶液清洗时间≥60min。

作为本发明的优选，

氢氟酸溶液的质量浓度为5%～35%，和/或氢氟酸溶液清洗时间60～360min。

作为本发明的优选，

超声功率为20～75W，和/或超声清洗时间为30～150min。

作为本发明的优选，

所生成的气孔的孔径为φ0.1～1mm；

和/或，气孔的孔间距为0.1～1mm。现有传统微孔陶瓷的孔径一般十几微米，孔间隙一般低于50μm。而本申请所提供的多孔陶瓷的孔径和孔间隙可不低于100μm，可在较少的气孔下获得更高的吸附力。

作为本发明的优选，

所生成的气孔的形状为圆形、六边形、三角形或正方形。

作为本发明的优选，

所生成的气孔的分布方式为矩形阵列或环形阵列。

本发明还提供了一种降低晶圆表面划伤率的生产方法，通过使用上述陶瓷真空吸盘装载或运输晶圆，由于多孔陶瓷中颗粒物容易被清洗干净而且不易产生新的颗粒物，多孔陶瓷内发生颗粒物脱落的几率低，降低了晶圆表面被划伤的几率。

本发明的有益效果如下：

本发明的陶瓷真空吸盘所用多孔陶瓷以密实烧结的碳化硅陶瓷为基体，可根据要求在氮化硅陶瓷上激光烧蚀产生气孔，并结合适宜的清洗方法制备得到。多孔陶瓷的气孔路径可控，气孔有效率可达到100%，清洗难度低，结构薄弱点少，降低了颗粒物产生的几率和气孔堵塞现象的发生，吸附强度高，重复使用稳定性高，吸附能力稳定。而且气孔的形状、尺寸以及大小、分布形式等均可根据需要定制，具有灵活性高的优点。所制备的多孔陶瓷应用于陶瓷真空吸盘，可满足高端半导体制程的生产需求。

附图说明

图1是实施例1制备的多孔陶瓷清洗前的表面孔形状视图。

图2是实施例1制备的多孔陶瓷清洗后的表面孔形状视图。

具体实施方式

下面就本发明的具体实施方式作进一步说明。

如无特别说明，本发明中所采用的原料均可从市场上购得或是本领域常用的，如无特别说明，下述实施例中的方法均为本领域的常规方法。

本发明提供了一种适于吸附晶圆的陶瓷真空吸盘的实施方案，所述陶瓷真空吸盘包括吸盘底座和安装在吸盘底座上的多孔陶瓷，所述多孔陶瓷经以下过程制备得到：

以内部烧结密实的碳化硅陶瓷为基体，采用激光烧蚀的方法在碳化硅陶瓷上生成气孔，将碳化硅陶瓷置于氢氟酸溶液中清洗，氢氟酸的清洗时间则以清洗干净为主，一般清洗时间不低于60min，取出后在异丙醇中超声清洗，再水冲洗；超声功率为20～100W，超声清洗时间不低于30min。

将上述多孔陶瓷通过常规装配方法如胶水粘结与吸盘底座或基座组合密封，再经过如LAP等研磨达到需要的平面度等要求，即得到陶瓷真空吸盘。

在本发明提供的一些实施方案中，激光烧结的功率为20～1000W，和/或激光加工的速度为1～10万 mm/s。优选的，激光加工的功率为80～200W，和/或激光加工的速度为20～1800 mm/s。更优选的，激光加工速度为20～120mm/s。

在本发明提供的一些实施方案中，氢氟酸溶液的质量浓度≥5%，清洗时间不低于60min。更优选的，氢氟酸溶液的质量浓度为5%～35%，清洗时间为60～360min。

在本发明提供的一些实施方案中，超声功率为20～75W，超声处理时间30～150min。

多孔陶瓷的气孔的孔径、间距、形成以及分布方式等均可根据需求设计。在本发明提供的一些实施方案中，所生成的气孔的孔径为φ0.1~1mm。在本发明提供的一些实施方案中，气孔的孔间距为0.1~1mm。在本发明提供的一些实施方案中，所生成的气孔的形状为圆形、六边形、三角形或正方形。在本发明提供的一些实施方案中，所生成的气孔的分布方式为矩形阵列或环形阵列。

本发明还提供了一种降低晶圆表面划伤率的生产方法的实施方案，使用上述陶瓷真空吸盘装载或运输晶圆。

下面通过更为具体的实施例对本申请的技术方案做进一步展示。如上文所言，激光加工的速度、功率等参数设置需考虑气孔的孔径、孔间隙、分布形式等因素，如孔间隙较小，此时应采用较低的加工速度，以便于控制。因此下述实施例中所用激光速度等参数仅是在此实施例中所设置，非以此限定激光速度等参数取值。

实施例1

一种多孔陶瓷的加工方法，具体过程如下：

（1）以厚度为0.5mm、圆盘状的碳化硅密实烧结陶瓷（碳化硅纯度≥99%）为基体，采用光线准直型激光加工器在基体表面烧蚀生成气孔，气孔为圆孔状，孔径为0.2mm，孔间距为0.3mm，呈圆环状阵列分布，所用激光激光加工器的功率为100w，加工速度为20mm/s，多孔陶瓷表面孔形状视图如图1所示；

（2）将生成气孔后的碳化硅陶瓷置于（质量浓度5%）氢氟酸溶液中清洗360min，取出后干燥，然后在异丙醇中超声（功率100W）清洗30min，取出后干燥再水冲洗，然后干燥得到碳化硅多孔陶瓷，所得多孔陶瓷的表面孔形状视图如图2所示。

实施例2

一种多孔陶瓷的加工方法，具体过程如下：

（1）以厚度为0.5mm、圆盘状的碳化硅密实烧结陶瓷（碳化硅纯度≥99%）为基体，采用光线准直型激光加工器在基体表面烧蚀生成气孔，气孔为圆孔状，孔径为0.2mm，孔间距为1mm，呈圆环状阵列分布，所用激光激光加工器的功率为120w，加工速度为120mm/s；

（2）将生成气孔后的碳化硅陶瓷置于氢氟酸溶液（质量浓度15%）中清洗180min，取出后干燥，然后在异丙醇中超声（功率75w）清洗100min，取出后干燥再水冲洗，然后干燥得到碳化硅多孔陶瓷。

实施例3

一种多孔陶瓷的加工方法，具体过程如下：

（1）以厚度为0.5mm、圆盘状的碳化硅密实烧结陶瓷（碳化硅纯度≥99%）为基体，采用光线准直型激光加工器在基体表面烧蚀生成气孔，气孔为圆孔状，孔径为0.5mm，孔间距为1mm，呈圆环状阵列分布，所用激光激光加工器的功率为80w，加工速度为1800mm/s；

（2）将生成气孔后的碳化硅陶瓷置于氢氟酸溶液（质量浓度35%）中清洗60min，取出后干燥，然后在异丙醇中超声（功率20w）清洗150min，取出后干燥再水冲洗，然后干燥得到碳化硅多孔陶瓷。

对比例1（草酸清洗+异丙醇/超声清洗+水冲洗）

与实施例1不同之处为，使用浓度为5%的草酸溶液替代氢氟酸溶液清洗。

对比例2（氢氟酸清洗+草酸/超声清洗+水冲洗）

与实施例1不同之处为，使用浓度为5%的草酸溶液替代异丙醇清洗。

对比例3（氢氟酸溶液/超声清洗+水冲洗）

与实施例1不同之处为，省略异丙醇清洗过程，并氢氟酸清洗时施加超声。

对比例4（缩短氢氟酸溶液清洗时间）

与实施例1不同之处为，氢氟酸溶液清洗时间为10min。

对比例5（氢氟酸溶液清洗+乙醇/超声清洗+水冲洗）

与实施例1不同之处为，采用乙醇替代异丙醇清洗。

对比例6（异丙醇/超声清洗功率1000W）

与实施例1不同之处为，异丙醇/超声清洗时的超声功率为1000W，清洗时间30min。

对比例7（异丙醇/超声清洗+氢氟酸溶液清洗+水冲洗）

与实施例1不同之处为，先异丙醇/超声清洗，然后氢氟酸溶液清洗，再水冲洗。

对比例8（传统微孔陶瓷）

采用现有方法制备微孔碳化硅陶瓷：由碳化硅和有机填充剂碳粉混合后烧结制备碳化硅陶瓷（常规烧结温度1250℃和时间150h），采用草酸溶液超声清洗后，用水冲洗并干燥，孔隙率为40%，外形尺寸与实施例1制备的多孔陶瓷相同。

将上述实施例和对比例制备的多孔陶瓷或微孔陶瓷安装到氧化铝陶瓷基座上，并用防水环氧树脂胶粘结，待胶水固化后采用LAP的方式将多孔陶瓷面研磨平整，多孔陶瓷面与基座面共面且平面度达到0.002mm以下，粗糙度Ra0.1以下，得到不同的陶瓷真空吸盘，然后将氧化铝陶瓷基座上的真空抽气孔与真空泵连接，吸附面放置晶圆，打开真空泵，确认真空度达-85kPa以下，则判定为合格。使用LPC测试仪检查微孔陶瓷或多孔陶瓷内的颗粒物，结果如下表1所示。

表1 颗粒物情况

颗粒规格	标准个/cm2	实施例1	实施例2	实施例3	对比例1	对比例2	对比例3	对比例4	对比例5	对比例6	对比例7	对比例8
													5μm~1μm	1000	6.6	56	139.5	923.3	1139.3	1552.3	2356.8	1278.1	89	690.2	767
1μm~0	100000	6438.3	13456	32875.4	749423.4	889452.1	1245312.5	3289453.2	936324.5	22342.2	823591	959461.4

从上表中的实施例1～3与对比例8的结果比较可知，本发明所用孔陶瓷的孔内颗粒物数量明显低于传统微孔陶瓷。同时，比较实施例1和对比例1～7可发现，清洗方法对于激光加工后的孔隙内颗粒物的清除有重要影响。这主要是因为激光烧蚀造孔的原理是采用高温气化材料的方式加工，但陶瓷材料不会因高温反应而气化或者转换形态，高温气化的材料冷却后会变成陶瓷颗粒，有的会粘附在产品表面，有的沉积在加工特征位置，尤其是大幅面加工时，加工时间长，取出材料量大，沉积现象会更严重，因此需要及时清洗多干净。而且不同于传统微孔陶瓷采用有机填充剂造孔，孔内颗粒成分多为有机杂质，本发明的多孔陶瓷颗粒源于陶瓷成分，因此不能简单的搬用传统微孔陶瓷清洗方法。如对比例1，由于本申请的碳化硅在激光烧蚀下会转化成二氧化硅杂质成分，因此一般的有机酸和无机酸清洗效果不佳，需使用氢氟酸溶液清洗。如对比例2～7所示，氢氟酸清洗后应进一步采用异丙醇伴随超声清洗，既不能采用草酸替代异丙醇，也不可以省略，或者调整顺序等，否则清洗效果无法达到满意程度，如对比例7将异丙醇清洗提前将导致小颗粒物数量大增。上述清洗方法已得到客户认证。

将各实施例和对比例制备的陶瓷真空吸盘进行吸附晶圆的十万次耐久试验，检测试验前后的压力变化（真空度），并统计晶圆被划伤的次数，结果见表2和表3所示。

表2 耐久性试验

十万次循环使用后压力变化	实施例1	实施例2	实施例3	对比例1	对比例2	对比例3	对比例4	对比例5	对比例6	对比例7	对比例8
												初始真空度/kPa	-90	-90	-90	-90	-90	-90	-90	-90	-90	-90	-85
循环真空度/kPa	-90	-90	-90	-85	-85	-85	-90	-90	-85	-90	-60

如实施例1～3以及对比例1～7所示，采用激光造孔相对于传统微孔陶瓷造孔制备的多孔陶瓷，由于气孔有效率高，更容易获得较高的初始吸附强度。但是基于本发明提供的制备方法获得多孔陶瓷具有更稳定的吸附强度，经十万次重复使用后仍可以提供稳定的真空吸附力。这是因为多孔陶瓷的清洗方法影响到后续的颗粒物的去除、大颗粒物和小颗粒物数量比例构成以及再次产生情况。另外如对比例6所示，虽然采用较大的超声功率清洗也可相对减少颗粒物的初始数量，但一方面，初始颗粒物数量高于实施例1，另一方面，重复使用后的吸附强度出现下降。原因可能在于超声功率过大，冲击强度过高，导致多孔陶瓷内部可能产生了一些结构薄弱点，导致清洗以及反复使用过程中产生颗粒物脱落。

表3 晶圆划伤次数

十万次循环使用	实施例1	实施例2	实施例3	对比例1	对比例2	对比例3	对比例4	对比例5	对比例6	对比例7	对比例4
												划伤次数	0	0	0	6	25	56	1907	39	30	34	5

从上表中可看出，本发明所提供的陶瓷真空吸盘十万次后，晶圆被划伤次数为0，划伤率低于对比例1～8。结合表2分析可知，尽管对比例8的吸附真空强度下降明显，但晶圆划伤次数低于对比例1～7。这可能是因为，虽然相较对比例1的颗粒物数量多，但对比例8中气孔路径不可控，脱落的颗粒物更容易引起气孔堵塞，而不是落在晶圆表面。因此，采用本发明的陶瓷真空吸盘不容易产生颗粒物脱落，既避免堵塞气孔，也避免划伤晶圆。

Claims (9)

1.一种适于吸附晶圆的陶瓷真空吸盘，其特征在于，所述陶瓷真空吸盘包括吸盘底座和安装在吸盘底座上的多孔陶瓷，所述多孔陶瓷经以下过程制备得到：

以内部烧结密实的碳化硅陶瓷为基体，采用激光烧蚀的方法在碳化硅陶瓷上生成气孔，将碳化硅陶瓷置于氢氟酸溶液中清洗，取出后在异丙醇中超声清洗，再水冲洗；氢氟酸溶液的质量浓度≥5%，氢氟酸溶液清洗时间≥60min；

超声功率为20～100W，超声清洗时间≥30min。

2.根据权利要求1所述的陶瓷真空吸盘，其特征在于，

激光烧结的功率为20~1000W，和/或激光加工的速度为1～10万 mm/s。

3.根据权利要求2所述的陶瓷真空吸盘，其特征在于，

激光加工的功率为80~200W，和/或激光加工的速度为20～1800 mm/s。

4.根据权利要求1所述的陶瓷真空吸盘，其特征在于，

氢氟酸溶液的质量浓度为5%～35%，和/或氢氟酸溶液清洗时间60～360min。

5.根据权利要求1所述的陶瓷真空吸盘，其特征在于，

超声功率为20～75W，和/或超声时间为30～150min。

6.根据权利要求1所述的陶瓷真空吸盘，其特征在于，

所生成的气孔的孔径为φ0.1~1mm；

和/或，气孔的孔间距为0.1~1mm。

7.根据权利要求1或6所述的陶瓷真空吸盘，其特征在于，

所生成的气孔的形状为圆形、六边形、三角形或正方形。

8.根据权利要求1或6所述的陶瓷真空吸盘，其特征在于，

所生成的气孔的分布方式为矩形阵列或环形阵列。

9.一种降低晶圆表面划伤率的生产方法，其特征在于，使用如权利要求1至8任一所述的陶瓷真空吸盘装载或运输晶圆。