具有可调陶瓷-聚合物介电材料的静电夹头的增材制造：一种结合实验和有限元分析的方法

《Composites Communications》：Additive Manufacturing of Electrostatic Chucks with Tunable Ceramic-Polymer Dielectrics: A Combined Experimental and FEA Approach

3D打印陶瓷基电热 chuck 制造中材料设计与电极优化策略研究。采用数字光处理技术结合钛酸钡改性光敏树脂，通过调节陶瓷含量实现介电性能可调。有限元分析与实验证明，采用双材料策略和加密电极结构可同时提升介电强度和夹持力。

　　

Munseong Kim | Jongwoo Lim | Jae-Hyuk Park | Sukeun Yoon | Jihoon Kim

韩国忠清南道天安市孔丘国立大学先进材料工程系，邮编32588

摘要

本研究提出了一种陶瓷数字光处理（DLP）3D打印技术，用于制造具有可调介电性能和电极设计的静电夹具（ESCs）。开发并优化了一种定制的光固化树脂，以实现较高的固化深度和合适的流变性能。在树脂中加入了钛酸钡（BaTiO₃；BTO），以提高其介电常数，同时保持可打印性。系统地评估了DLP打印复合结构的介电常数和击穿电压与BTO含量的关系。有限元分析（FEA）和实验测量证实，增加BTO含量可以提高相对介电常数，但会降低介电强度。为平衡这些矛盾，采用了双材料策略：夹具主体使用5体积%的BTO进行打印，以实现高击穿强度；而介电层则使用更高比例的BTO进行打印，以增强夹紧力。模拟进一步显示，电场集中在指状电极（IDE）边缘，导致极化分布受限。为解决这一问题，实施了具有更高指状电极密度的各种IDE图案。这些改进显著增强了夹紧力，这一点通过模拟和实验得到了验证。总体而言，本研究表明，结合材料配方、陶瓷DLP打印和模拟指导设计可以快速优化ESCs的性能，为先进静电设备的制造提供了一个灵活的平台。

引言

在半导体晶圆制造和平板显示器制造中，采用了多种基底固定方法——如真空夹具、机械夹具和静电夹具（ESCs）——在加工过程中牢固地固定晶圆或玻璃面板[1]，[2]。其中，ESCs因能够通过静电力吸附基底而变得越来越重要。这是通过施加电场下的介电极化和电荷位移产生的表面电荷来实现的，从而实现非接触操作。这种机制不仅简化了夹具结构，还确保了压力分布均匀，降低了机械应力和基底损坏的风险。这些优点使得ESCs特别适用于高精度的半导体和显示器应用。

随着对大面积显示基底和更多样化设备设计的需求增长，开发满足这些不断变化要求的先进ESCs变得越来越关键[3]，[4]。为此，优化电极图案配置和材料系统设计至关重要。然而，当前的ESCs制造仍然依赖于传统的沉积技术，如等离子喷涂、溅射、化学气相沉积和物理气相沉积来形成介电层。这些方法需要昂贵的设备，消耗大量能源，并产生大量材料浪费[5]，[6]，[7]。此外，传统的电极图案化技术——如丝网印刷、激光蚀刻和化学蚀刻——进一步限制了设计灵活性并增加了生产复杂性。这些限制阻碍了快速原型制作、定制和成本效益高的ESCs生产[8]，[9]，[10]。因此，迫切需要一种新的制造方法来克服这些挑战，实现可扩展和适应性强的ESCs开发。

增材制造（3D打印）通过逐层沉积直接构建具有目标特定几何形状的复杂三维结构，为ESCs制造提供了一种创新解决方案。这种方法简化了多步骤制造过程，降低了能耗，并通过减少浪费和实现可回收性提高了材料效率。特别是，直接打印带来的电极图案设计灵活性解决了传统ESCs制造技术的局限性[11]，[12]，[13]。

3D打印技术通常根据其沉积机制进行分类，包括光聚合、挤出、粉末烧结、层压和喷射。在本研究中，我们采用了基于光聚合的数字光处理（DLP）方法，该方法使用LCD面板将图案化的光投射到树脂表面。与点扫描立体光刻（SLA）相比，DLP由于逐层表面曝光，具有更快的打印速度和更高的吞吐量，因此更适合可扩展和成本效益高的制造[5]，[6]。此外，DLP允许轻松更换光源以匹配树脂特定的固化波长，从而提高了设备的可维护性和操作灵活性[14]，[15]，[16]，[17]，[18]。

图1展示了DLP打印过程的示意图以及使用该技术制造的ESCs的结构。如图所示，ESCs通过利用打印材料的电性能产生夹紧力，因此介电性能是关键的设计考虑因素。为了提高这些性能，配制了一种光固化树脂，并在其中分散了钛酸钡（BaTiO₃；BTO）纳米颗粒——它们以其高介电常数而闻名，从而制备出适合DLP打印的陶瓷-光聚合物复合（CPC）墨水。CPC墨水被设计为具有最佳粘度和固化深度，这是DLP可打印性的关键参数。因此，树脂配方经过调整，以便在光源的特定波长下实现高效的光聚合。此外，严格控制了陶瓷颗粒的含量，以改善介电性能，同时最小化过高的粘度和光散射，这可能会减少入射光吸收并影响固化深度。因此，配方经过优化，以在不过度影响DLP可打印性的前提下最大化介电性能[19]，[20]，[21]。对CPC墨电性能和介电击穿强度进行了表征，以评估其适用于ESCs的应用。基于这些测量结果，使用有限元分析（FEA）模拟确定了最佳材料几何形状和电极图案，以最大化夹紧力。最终通过DLP制造了ESCs结构，并通过将测量结果与模拟预测进行比较，验证了其夹紧性能。

本文提出了一种通过结合基于DLP的3D打印和定制功能墨水设计来制造ESCs的新方法。通过模拟驱动的优化，这种方法简化了制造过程，降低了成本，并提高了夹紧性能。这些优势使得该方法成为下一代半导体和显示器应用的可行且适应性强的解决方案。

实验程序

墨水制备： 为了配制适合DLP打印的光固化树脂，选择了两种具有不同功能的丙烯酸酯基单体：1,6-己二醇二丙烯酸酯（HDDA；Sigma-Aldrich）和三甲基羟丙基三丙烯酸酯（TMPTA；Sigma-Aldrich）。通过改变光引发剂bis(2,4,6-三甲基苯甲酰基)-苯基膦氧化物（Irgacure 819）的浓度（从1%到3%），并考察不同光照条件对树脂固化特性的影响，评估了树脂的固化特性

用于3D DLP的BaTiO₃光敏墨水设计

在逐层DLP打印中配制光敏墨水时，一个关键考虑因素是实现足够的固化深度，以便形成复杂的3D结构。在CPC墨水系统中，入射的紫外线被陶瓷颗粒吸收或散射，限制了光的穿透，从而减少了有效的固化深度。这种系统中的紫外线衰减行为可以用比尔-朗伯定律描述，如方程（1）所示：$$ $$ $$