一种静电卡盘性能检测装置及检测方法与流程

本发明涉及静电卡盘检测，具体涉及一种静电卡盘性能检测装置及检测方法。

背景技术：

1、静电卡盘是一种利用静电吸附原理实现工件固定的精密装置，其通过在绝缘基板内设置电极结构，通电后电极与工件之间产生静电力，从而将工件牢固吸附于卡盘表面。在半导体芯片制造等精密加工领域（如光刻、刻蚀、沉积等核心工艺环节），吸附测试晶圆位置稳定性与温度均匀性要求极为苛刻，静电卡盘依靠静电吸附作用承担吸附测试晶圆的定位与保持功能，发挥着不可替代的作用。同时，卡盘的吸附力大小、脱附响应速度、偏压馈入优劣及表面温场分布等性能参数，直接影响工艺精度与产品良率。尤其在先进制程节点下，工艺裕度极窄，卡盘性能的微小波动即可能引发整批吸附测试晶圆报废。

2、基于上述背景，对静电卡盘开展系统性的性能检测具有重要意义——既可及时发现卡盘老化、损伤等潜在故障，避免设备带病运行导致重大损失，也能够筛选出性能达标的产品投入产线，保障批量生产的一致性。

3、静电卡盘吸附力早期的测量方式是向上提拉法，使用牵引绳等结构连接被静电卡盘吸附的吸附测试晶圆，通过向上提拉吸附测试晶圆，测得吸附测试晶圆脱离静电卡盘时的拉力大小，即为静电卡盘的吸附力大小。但是由于静电卡盘实际工作环境为真空环境，大气环境下所进行的上拉测试与实际工况不符，测试结果不准确、不可信。

4、现有技术中，已有多种在真空环境下测量静电卡盘吸附性能的装置及方法被提出。例如，cn104062040a公开了一种静电卡盘静电吸附力的测量装置，其包括真空腔室和真空获取装置，测量系统设置于真空腔室内的静电卡盘下方。cn103698068b公开了一种静电卡盘基本性能检测装置及其检测方法，可测量静电吸附力、吸附测试晶圆脱附时间和吸附测试晶圆表面温度等指标，其检测同样在真空腔室内完成。cn110873640a亦包括真空腔室和测试气路，通过气路系统实现吸附性能检测。

5、上述的静电卡盘吸附力测试技术普遍依赖真空环境，测试过程需将静电卡盘置于真空腔室内，通过真空泵抽至特定真空度后方可进行吸附力测定。然而，真空环境的建立与维持耗时较长，若将所有待测卡盘均直接送入真空腔室进行测试，一旦遇到吸附力不达标的不良品，则此前耗费的抽真空时间与资源即形成不必要的浪费。尤其在大批量卡盘检测场景中，该问题尤为突出，严重制约了检测效率。

技术实现思路

1、1. 要解决的问题

2、针对现有技术中所有静电卡盘均直接送入真空腔室中进行测试，一旦遇到吸附力不达标的不良品，则此前耗费的抽真空时间与资源即形成不必要的浪费的问题，本发明提供一种静电卡盘性能检测装置及方法，能够在真空环境下的静电卡盘吸附力测试之前，对不合格静电卡盘进行快速筛查，避免所有测试均在真空工况下测试时，设备频繁抽真空时长的不必要浪费，提高不良卡盘的排查效率。

3、2. 技术方案

4、为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

5、本发明第一方面提供一种静电卡盘性能检测装置，包括：

6、检测腔室，所述检测腔室能够在开启状态与闭合状态之间切换；所述检测腔室闭合时，能够形成密闭环境；

7、静电卡盘，通过承载组件安装于所述检测腔室底部内表面；

8、真空泵组件，与所述检测腔室连接，用于将所述检测腔室抽真空；

9、拉升组件，安装于检测腔室的上部，用于在大气环境下向上提拉与所述静电卡盘的上表面贴合的吸附测试晶圆并检测静电卡盘的吸附力；

10、背氦组件，通过管路与所述静电卡盘连接，能够向静电卡盘与晶圆之间的结合面间隙内通入氦气，用于测量静电卡盘在真空环境下的吸附力。

11、该装置能够在真空环境下的静电卡盘吸附力测试之前，先在大气环境下对静电卡盘的静电吸附力进行前置判定，对不合格静电卡盘进行快速筛查，避免所有测试均在真空工况下测试时，设备频繁抽真空时长的不必要浪费，提高不良卡盘的排查效率。

12、作为本发明的一种优选方案，拉升组件包括驱动部件和执行部件，所述驱动部件位于所述检测腔室上部外侧，所述执行部件贯穿所述检测腔室，并且上下两侧分别连接所述驱动部件和吸附测试晶圆，所述驱动部件能够驱动所述执行部件上下直线移动；

13、所述驱动部件与所述检测腔室的上部外壁之间配置有第一密封罩，并且所述第一密封罩套设于所述执行部件外。

14、作为本发明的一种优选方案，还包括顶针组件，所述顶针组件包括驱动部件和执行部件；

15、所述驱动部件位于所述检测腔室外侧，所述执行部件贯穿所述检测腔室，并且所述执行部件的上侧用于承托晶圆，所述执行部件的下侧与所述驱动部件连接，所述驱动部件能够驱动所述执行部件上下直线移动；

16、所述驱动部件与所述检测腔室的外壁之间配置有第二密封罩，所述第二密封罩套设于所述执行部件外。

17、作为本发明的一种优选方案，所述执行部件包括与所述驱动部件连接的推杆，所述推杆的顶端固定设置有顶针环，所述顶针环上圆周均匀布置有至少三个竖直设置的顶针，所述顶针用于承载定位所述晶圆。

18、作为本发明的一种优选方案，所述检测腔室包括上腔室和下腔室，所述下腔室为固定腔室，所述上腔室为活动腔室，所述上腔室能够翻转或上下移动，以使检测腔室能够在开启状态与闭合状态之间切换。

19、作为本发明的一种优选方案，所述上腔室与所述下腔室之间设置有适配环，所述适配环可拆卸连接于所述下腔室的上部，所述适配环与所述下腔室之间以及所述适配环与所述上腔室之间均配置有密封件。

20、作为本发明的一种优选方案，所述上腔室包括压合板、螺柱、上壳体和承接板；

21、所述压合板与所述承接板通过所述螺柱连接，所述上壳体被夹紧固定于所述压合板与所述承接板之间；

22、所述上壳体的下侧开口，所述上壳体的下侧与所述压合板之间配置有密封胶圈。

23、作为本发明的一种优选方案，所述上腔室通过翻盖组件安装于所述下腔室上，所述翻盖组件能够驱动所述上腔室绕所述翻盖组件的旋转轴转动，以使所述上腔室能够相对于所述下腔室翻转开合。

24、作为本发明的一种优选方案，所述静电卡盘上的进水口和出水口与承载组件上的进水口和出水口位置一致，所述承载组件上的进水口和出水口与水冷机上的出水口和进水口连通；

25、静电卡盘性能检测装置还包括工艺气盒组件与射频电源，所述工艺气盒组件与所述检测腔室连通，所述射频电源通过所述承载组件上的馈电接头与所述静电卡盘连接；

26、静电卡盘性能检测装置还包括测温组件，测温组件包括测温晶圆、温度传导线、馈通法兰、测温控制器和加热电源；馈通法兰安装于检测腔室的观察口上，测温晶圆用于贴合配置于静电卡盘的上表面上，温度传导线的一端与测温晶圆连接，另一端通过馈通法兰与位于所述检测腔室外部的测温控制器连接，加热电源通过承载组件上的加热馈电接头与所述静电卡盘连接。

27、本发明第二方面提供一种检测方法，使用上述的静电卡盘性能检测装置，先对静电卡盘在大气环境下的吸附力进行检测；

28、若检测结果达标，则可以对静电卡盘在真空环境下的吸附力进行检测；

29、若检测结果不达标，则无需对静电卡盘在真空环境下的吸附力进行检测。

30、本发明第三方面提供一种检测方法，使用上述的静电卡盘性能检测装置，依次完成静电卡盘绝缘性测试、冷却循环通畅性测试、大气环境下的吸附力强度测试、自身气密性测试、真空环境下的吸附力强度测试、射频偏压能力测试，脱附时效测试、温度均匀性测试。

31、作为本发明的一种优选方案，卡盘绝缘性测试方法为：

32、步骤1：检测腔室开启，将待测静电卡盘紧固在承载组件上，静电卡盘上接口与承载组件上的接口一一对应；接口包括水道口、静电吸附馈电dc口、射频偏压馈入口、背氦进气口、加热馈电口；

33、步骤2：使用绝缘电阻测试仪测量静电卡盘上两个静电吸附馈电dc之间的阻值；若阻值大于预定值，则判定静电卡盘自身绝缘电阻达标；若阻值小于预定值，则判定静电卡盘自身绝缘电阻未达标，具有击穿风险，不合格；

34、冷却循环通畅性的检测方法为：

35、步骤1：通过水冷机将冷却水泵入静电卡盘的入水口，冷却水在静电卡盘的内部水冷道循环后回到水冷机；

36、步骤2：观察水冷机水流量，若水流量为0l/min，则怀疑静电卡盘内部水冷道堵塞，停止水冷机后拆下静电卡盘进行x射线透视水道进一步排查；

37、若水流量有显示，则进一步观察静电卡盘周围漏液渗液情况；若静电卡盘周身存在漏水点，则盘体加工不达标，不合格；

38、大气环境下吸附力强度的检测方法为：

39、步骤1：检测腔室开启，将吸附测试晶圆与静电卡盘上表面贴合。

40、步骤2：通过拉升组件向上拉扯吸附测试晶圆，最终使吸附测试晶圆从静电卡盘上表面离开，记录此过程中拉力传感器反馈的最大拉力值fm1；

41、步骤3：使吸附测试晶圆再次与静电卡盘上表面贴合，开启静电吸附电源，使静电卡盘在预定电压下对吸附测试晶圆完成预定时长的吸附；

42、步骤4：重复步骤2，记录开启静电吸附后的过程最大拉力值fm2；

43、步骤5：比较前后两个拉力值，若fm2≥1.5fm1，认为具备一定的吸附能力，有进行后续真空下吸附力强度测试的意义；若不满足则认为吸附能力不足，不合格；

44、自身气密性的检测方法为：

45、步骤1：检测腔室开启，并将晶圆放置于顶针上，重新闭合检测腔室；

46、步骤2：开启真空泵组件，通过全量程真空计读取检测腔室内真空数值，真空值降至0.5mbar时，记录时间tj1，待全量程真空计显示真空值≤1.0x10-6mbar时，记录时间tj2；

47、步骤3：对比使用盲板替代静电卡盘密封时，真空值降至0.5mbar的测试时间tm1和真空值≤1.0x10-6mbar时的测试时间tm2；

48、若tj1>2tm1，则认为静电卡盘存在大漏点，漏率不达标，不合格；

49、若tj1≤2tm1，但tj2>2.5tm2，则认为静电卡盘存在微漏点，漏率不达标，也不合格。

50、真空下吸附力强度的检测方法为：

51、步骤1：自身气密性的检测过程中晶圆已放置在顶针上，并且腔室已经抽至高真空，此时通过顶针组件将晶圆平稳放置在静电卡盘上；

52、步骤2：开启静电吸附电源，使静电卡盘在预定电压下对晶圆完成预定时长的吸附；

53、步骤3：通过背氦组件向静电卡盘与晶圆之间的结合面间隙内通入氦气并逐渐加大背氦压力直至将晶圆微微撬动，记录预定静电电压下最大背氦压力数值pbmax；

54、射频偏压能力的检测方法为：

55、步骤1：检测腔室打开，取下真空下吸附力强度测试中被氦气吹偏移的晶圆，重新升起顶针，并在其上重新放置晶圆；

56、步骤2：检测腔室关闭，开启真空泵组件，将检测腔室抽至高真空；

57、降下顶针，使晶圆与静电卡盘表面贴合；

58、开启静电吸附电源，使静电卡盘在预定电压下对晶圆完成预定时长的吸附；

59、通过背氦组件向静电卡盘与晶圆之间的结合面间隙内通入氦气，使晶圆与静电卡盘之间存在一定量的氦气；

60、步骤3：开启工艺气盒中的进气阀门，给定质量流量计进气流量；

61、步骤4：通过薄膜真空计读取低真空下的精确真空度pd，pd数值跳动小于10%后认为真空状态达到稳定，启动射频电源，馈入静电卡盘上的射频能量在真空环境中产生感生电场并进而激发等离子体；

62、脱附时效的检测方法为：

63、步骤1：依次关闭射频电源、工艺气盒中的质量流量计和进气阀，待腔体内的等离子体熄灭后，关闭静电吸附电源，从此时开始记录脱附开始时间tf1；

64、步骤2：观察背氦组件中背氦控制器显示的数值，若数值出现骤降，表明晶圆脱附，其背氦的氦气泄漏进腔室，背氦压力跳动，记录脱附结束时间tf2；

65、将tf2与tf1做差得到脱附时长tf；

66、温度均匀性的检测方法为：

67、步骤1：检测腔室打开，将晶圆替换为测温晶圆，并将测温晶圆的温度传导线通过馈通法兰与测温控制器连接；

68、步骤2：检测腔室抽真空至高真空后，将测温晶圆放置在静电卡盘上；

69、步骤3：开启静电吸附电源，使静电卡盘在预定电压下对晶圆完成预定时长的吸附；开启背氦组件，使测温晶圆处于背氦状态；

70、步骤4：启动加热电源，静电卡盘逐渐被加热升温，并通过测温晶圆和温度传导线在测温控制器进行读取，对测得的所有点位温度计算平均温度tu，并在平均温度tu达到需求值后读取最高温度tmax和最低温度tmin。