一种静电吸盘的温度检测结构及测量方法与流程

本发明属于静电吸盘加工，涉及一种静电吸盘的温度检测结构及测量方法。

背景技术：

1、静电吸盘（electrostatic chuck, esc）作为半导体工艺中晶圆固定与温度调控的核心关键部件，在薄膜沉积、光刻、蚀刻、等离子注入等关键制程中发挥着重要的作用。具备多温区精准控温能力且各温区间温度均匀性良好的静电吸盘，已成为制约先进制程落地的核心因素之一。在7纳米以下节点用静电吸盘中，如何精确测量并及时反馈各温区实时温度，成为静电吸盘设计与制造工艺中尤为重要的环节。其中，tc检测孔（thermocouplesensing hole, tc hole）的分布合理性、设计精准度与加工深度准确性，直接决定了多温区温度检测的实时性与可靠性，是实现多温区精准调控、保障半导体工艺稳定性的前提。

2、然而，在现有静电吸盘的横向结构中，受限于电路布局与气孔通道设计，tc检测孔的开设通常需要贯穿铝基座主体、粘结层、加热盘以及部分陶瓷介电层。这种贯穿式结构在实际工作中会带来显著的热缺失和气密性破损问题，影响静电吸盘整体真空密封性能，进而对产品造成不可修复的损害。因此，必须设置专门的tc检测孔，以实时监控静电吸盘在吸附晶圆工作状态下的瞬态温度及其波动情况，确保静电吸盘表面的整体温度均匀性维持在δt＜1°c的严苛指标内。

3、已有的静电吸盘温度检测方案多依赖于外置式热电偶或表面贴装传感器，但仍然存在以下缺陷：热缺失问题：为布置温度传感器而必须贯穿多层异质结构的孔道，形成了局部热短路路径，导致测温点温度偏离真实工作温度，且加剧了吸盘表面的温度不均匀性。气密性破坏：贯穿孔破坏了静电吸盘原有的一体化气密结构，尤其是在多层材料界面处容易出现微渗漏，影响吸盘对晶圆的吸附稳定性及工艺腔室的真空度。缺乏系统性设计：现有方案未针对tc检测孔的分布位置、加工深度及与其它功能结构的协同关系进行优化，导致温度反馈信号的实时性和准确性不足，无法支撑多温区精准闭环控制。

4、综上所述，亟需提供一种用于静电吸盘的温度检测结构及测量方法，能够实时监控静电吸盘在吸附晶圆时的即刻温度与温度波动，控制静电吸盘表面的整体温度均匀性。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种静电吸盘的温度检测结构及测量方法，通过特定的tc检测孔设计，可以实时监控静电吸盘在吸附晶圆时的即刻温度与温度波动，控制静电吸盘表面的整体温度均匀性δt＜1°c。

2、为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种静电吸盘的温度检测结构，所述静电吸盘上设置有四个tc检测孔，以静电吸盘的中心冷却液进出孔的中心点为原点，以中心冷却液进出孔的连线为水平轴，一号tc检测孔位于垂直于水平轴的竖直轴负方向顺时针14.23-14.63°、距原点13.45-13.55mm处；二号tc检测孔位于所述竖直轴正方向逆时针44.5-44.9°、距原点10.67-10.77mm处；三号tc检测孔位于竖直轴正方向逆时针40.41-40.81°、距原点3.45-3.55mm处；四号tc检测孔位于竖直轴正方向顺时针17.3-17.7°、距原点10.99-11.09mm处；各tc检测孔均贯穿静电吸盘的主体铝基座并深入陶瓷介电层0.025-0.035mm，且孔径为0.8-1.8mm。

4、本发明提供的静电吸盘的温度检测结构，通过特定的检测孔位置分布与加工深度控制，配合静电吸盘铝基座、加热盘、陶瓷介电层、粘结层等零部件能够形成完整的温度反馈机制。该温度检测结构能够在实现实时、准确测量各温区工作温度的同时，最小化对热场分布和气密性能的不利影响，从而满足δt＜1°c的表面温度均匀性要求，为2纳米及以下节点半导体工艺提供可靠的温度监控与调控基础。

5、所述一号tc检测孔位于垂直于水平轴的竖直轴负方向顺时针14.23-14.63°、距原点13.45-13.55mm处，14.23-14.63°例如可以是14.23°、14.33°、14.43°、14.53°或14.63°，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用；13.45-13.55mm例如可以是13.45mm、13.48mm、13.5mm、13.52mm或13.55mm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

6、所述二号tc检测孔位于所述竖直轴正方向逆时针44.5-44.9°、距原点10.67-10.77mm处，44.5-44.9°例如可以是44.5°、44.6°、44.7°、44.8°或44.9°，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用；10.67-10.77mm例如可以是10.67mm、10.7mm、10.73mm、10.75mm或10.77mm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

7、所述三号tc检测孔位于竖直轴正方向逆时针40.41-40.81°、距原点3.45-3.55mm处，40.41-40.81°例如可以是40.41°、40.51°、40.61°、40.71°或40.81°，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用；3.45-3.55mm例如可以是3.45mm、3.48mm、3.5mm、3.52mm或3.55mm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

8、所述四号tc检测孔位于竖直轴正方向顺时针17.3-17.7°、距原点10.99-11.09mm处，17.3-17.7°例如可以是17.3°、17.4°、17.5°、17.6°或17.7°，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用；10.99-11.09mm例如可以是10.99mm、11.02mm、11.04mm、11.06mm或11.09mm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

9、所述各tc检测孔均贯穿静电吸盘的主体铝基座并深入陶瓷介电层0.025-0.035mm，例如可以是0.025mm、0.028mm、0.03mm、0.032mm或0.035mm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

10、所述各tc检测孔的孔径为0.8-1.8mm，例如可以是0.8mm、1mm、1.2mm、1.5mm或1.8mm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

11、优选地，各所述tc检测孔内填充有导热介质。

12、需要说明的是，本发明对所述导热介质的种类不作具体限定，本领域技术人员可以根据实际应用场景进行适应性选择。

13、优选地，各所述tc检测孔均避开静电吸盘的加热区有效电路。

14、优选地，所述tc检测孔采用金刚石钻头加工成型。

15、第二方面，本发明提供了一种基于第一方面所述的静电吸盘的温度检测结构的温度测量方法，包括以下步骤：

16、将各温区的tc检测孔与外部测温装置接通，抽真空并维持静电吸盘腔内气压稳定；然后接通静电吸盘工作电路，吸附晶圆；维持冷却端温度，设定加热盘理论温度；然后通过tc检测孔实时检测静电吸盘各温区的温度分布与温度均匀性。

17、本发明提供的静电吸盘的温度检测结构的温度测量方法，采用抽真空及保压步骤，消除了气流对热电偶读数的干扰，测量结果稳定可靠；在通电吸附晶圆的动态工况下测温，能够真实反映静电吸盘工作状态下的温度分布；所获实时温度数据可直接用于闭环调控，将表面温度均匀性控制在δt＜1°c，为先进半导体工艺良率提升提供关键支撑。

18、优选地，所述抽真空的步骤具体包括：第一次抽真空至0.5torr以下并保压，第二次抽真空至5mtorr以下并保压。

19、所述第一次抽真空至0.5torr以下并保压，例如可以是0.5torr、0.4torr、0.3torr、0.2torr或0.1torr，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

20、所述第二次抽真空至5mtorr以下并保压，例如可以是5mtorr、4mtorr、3mtorr、2mtorr或1mtorr，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

21、优选地，所述冷却端温度为18-22°c，所述加热盘理论温度为40°c或60°c。

22、所述冷却端温度为18-22°c，例如可以是18°c、19°c、20°c、21°c或22°c，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

23、优选地，还包括电性测量步骤，具体包括：在tc检测孔加工完成后，将各温区的tc检测孔依次接入电性示波器，在-0.5v至5v内连续变化观测点并进行测量。

24、所述在-0.5v至5v内连续变化观测点并进行测量，例如可以是-0.5v、1v、2v、3v或5v，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

25、优选地，还包括气密性测量步骤，具体包括：将完成电性验证步骤的静电吸盘置于气密性检测箱中，进行抽真空并保压，然后通过氦漏检测管检测漏率。

26、优选地，还包括夹持力测量步骤，具体包括：接通静电吸盘工作电路，在加热条件下吸附测试晶圆，测量夹持力、吸附时间以及释放时间。

27、作为本发明进一步优选的技术方案，所述静电吸盘的温度检测结构的温度测量方法包括以下步骤：

28、（1）电性测量：tc检测孔加工完成后，遮蔽其无关区域，维持外界温度为23°c，固定静电吸盘于反转支架，按照孔位顺序依次连入keysight专业电性示波器，调节供应端电压稳定于-0.5v至5.0v之间连续变化，选取4001个观测点，每个观测点测量0.04s，待其电流-电压图稳定后，综合其曲线具体情况，得出各温区加热电阻，确认各温区的tc检测孔未损伤静电吸盘的加热层电路；

29、（2）气密性测量：完成电性测量后，转移静电吸盘至气密性检测箱中；不接通静电吸盘工作电路，将其静置于环形制成架上，关闭检测箱舱门，接通抽气泵电源，打开低压抽气阀及与其相连接的管道真空阀，第一次抽真空，当低真空计显示真空度检测箱内的气压维持在0.5torr以下时，关闭管道真空阀；待机抽气泵，等待6小时，当确认腔内气压不会明显升高后，打开抽气泵主阀及与其相连接的管道真空阀，第二次抽真空，当低真空计无法读出数据时，打开高真空计，确认检测箱内的气压维持在5mtorr以下；关闭所有管道真空阀，再次等待6小时，确认腔内气压不会明显升高后，打开氦漏检测管，确认其漏率在0.6sccm以下；打开破真空阀，与静电吸盘表面水平放置一枚测试晶圆，重复上述抽真空步骤，关闭所有管道真空阀，等待6小时，确认腔内气压不会明显升高后，接通静电吸盘工作电路，使用其吸附力抓取测试晶圆；打开氦漏检测管，确认其漏率在1sccm以下；

30、（3）温度分布与温区均匀性测量：完成气密性测量后，断开静电吸盘工作电路，关闭抽气泵，打开破真空阀，取下测试晶圆与静电吸盘，将静电吸盘转移并固定至红外检测箱中；重复步骤（2）的抽真空步骤，关闭所有管道真空阀，等待6小时，确认腔内气压不会明显升高后，接通静电吸盘工作电路，使用其吸附力抓取测温晶圆，打入波长为1180nm的红外线，维持冷却端温度为18-22°c，设定加热盘理论温度为40°c或60°c，检测静电吸盘由tc检测孔加工后各温区呈现于陶瓷介电层表面的温度分布与其温度均匀性，确认tc检测孔未损伤静电吸盘的温控原件；

31、（4）夹持力测量：完成温度分布与温区均匀性测量后，断开静电吸盘工作电路，关闭抽气泵，打开破真空阀，取下测温晶圆与静电吸盘，将静电吸盘转移并固定至夹持力检测箱中；重复步骤（2）的抽真空步骤，关闭所有管道真空阀，等待6小时，确认腔内气压不会明显升高后，接通静电吸盘工作电路，于40°c或60°c的加热条件下，使用其吸附力抓取测试晶圆，同时使用高精度计时器，测量静电吸盘抓取测试晶圆的时间与夹持力；维持夹持力6小时，模拟客户端使用，随后断开静电吸盘工作电路，测量静电吸盘释放测试晶圆的时间，确认吸附时间小于1秒、释放时间小于2秒、夹持力为3000n左右；

32、（5）模拟客户端使用，温度分布与温区均匀性测量：完成夹持力测量后，断开静电吸盘工作电路，关闭抽气泵，打开破真空阀，将各温区tc检测孔与外部测温装置接通；重复步骤（2）的抽真空步骤，关闭所有管道真空阀，等待6小时，确认腔内气压不会明显升高后，接通静电吸盘工作电路，使用其吸附力抓取测试晶圆，模拟客户端使用情况，维持冷却端温度为20°c，设定加热盘理论温度为40°c或60°c，通过tc检测孔实时检测静电吸盘各温区的温度分布与其温度均匀性，确认检测孔能在实际情况下即刻监控，并改善静电吸盘的温度分布与温度均匀性。

33、本发明所述的数值范围不仅包括上述例举的点值，还包括没有例举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。

34、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

35、本发明提供的静电吸盘的温度检测结构，通过特定的检测孔位置分布与加工深度控制，配合静电吸盘铝基座、加热盘、陶瓷介电层、粘结层等零部件能够形成完整的温度反馈机制。该温度检测结构能够在实现实时、准确测量各温区工作温度的同时，最小化对热场分布和气密性能的不利影响，从而满足δt＜1°c的表面温度均匀性要求，为2纳米及以下节点半导体工艺提供可靠的温度监控与调控基础。