什么是靜電吸盤（ESC）？

一、靜電吸盤（ESC）概述

靜電吸盤（Electrostatic Chuck，ESC）是一種利用靜電力吸附晶圓（wafer）于基座上的夾持裝置，廣泛應(yīng)用于等離子蝕刻（Etch）、離子注入（Implant）等真空環(huán)境下的晶圓制程工藝中。

其核心優(yōu)點在于：

無需物理夾持，避免機械應(yīng)力；

保持晶圓表面完整性；

支持晶圓溫控與高真空環(huán)境。

二、靜電吸盤的工作原理

1. 基本原理

靜電吸盤的基本結(jié)構(gòu)可以類比為一個電容器：

ESC 本體包含一個或多個金屬電極；

電極外覆一層絕緣介質(zhì)；

晶圓作為另一極被置于介質(zhì)表面；

當(dāng)對電極加電壓時，形成電場，引起晶圓背面感應(yīng)相反電荷 → 靜電吸附力將晶圓固定。

此力稱為?庫倫力（Coulomb Force），只要維持電壓，即可保持吸附。

ESC結(jié)構(gòu)如下：

2. 吸附力計算公式（簡化）

其中：

εvarepsilon：絕緣層的介電常數(shù)（與材料有關(guān)）；

VV：加在電極上的電壓；

dd：絕緣層厚度；

AA：有效吸附面積。

三、ESC 的類型

1. 單極型（Unipolar Type）

僅一個電極接電壓，晶圓通過 plasma 或其它方式帶電后形成對極；

結(jié)構(gòu)簡單，但需等離子體環(huán)境輔助；

常用于蝕刻等工藝。

特點：

Chucking force 強；

易受工藝條件影響。

2. 雙極型（Bipolar Type）

兩個電極分別接正負電壓，晶圓不依賴等離子體也可被吸附；

更適合非等離子環(huán)境下的晶圓處理。

特點：

控制更精細；

吸附力為同電壓條件下單極型的 1/4（理論值）；

更安全可靠。

四、ESC 材料與結(jié)構(gòu)類型

1. 庫倫型（Coulomb Type）

絕緣體電極結(jié)構(gòu)；

需要較高電壓（3000~4000V）產(chǎn)生足夠吸附力；

結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)快。

2. Johnson-Rahbek 型（JR Type）

采用摻雜半導(dǎo)體材料（如 doped AlN）制成；

具一定導(dǎo)電性，表面電荷密集，電極之間距離??；

吸附力大，所需電壓低（500~800V）；

適合高溫、長時間吸附。

五、ESC 的功能拓展

除了吸附晶圓，現(xiàn)代 ESC 通常具備：

背面氦氣冷卻系統(tǒng)：保持晶圓溫度均勻；

溫控電極：提高熱傳導(dǎo)；

微結(jié)構(gòu)圖案化表面：優(yōu)化吸附均勻性與釋放顆?？刂?；

表面涂層技術(shù)：如 PECVD、PVD、聚合物涂層等，優(yōu)化熱、電性能。

六、ESC 與工藝互動關(guān)系

等離子體自偏壓與 ESC 的電壓關(guān)系

為何不能在 ESC 下部直接施加負電壓以增強 plasma self-bias？

ESC 與晶圓之間電容電阻模型決定了大部分 DC 電壓都集中在 ESC-wafer 間；

Plasma sheath 并不受此 DC 控制，不能形成有效自偏壓；

附加 DC 反而可能影響吸附穩(wěn)定性，造成晶圓移位。

解決辦法：

引入低頻 RF bias（例如 400kHz~2MHz），有效提升離子能量；

RF bias 主要作用于 plasma sheath，真正改變 self-bias 行為。

七、性能參數(shù)實例分析

假設(shè)：

12英寸晶圓，直徑 300mm；

背面 He 壓力 20Torr（約 2660 Pa）；

ESC 有效吸附面積 A ≈ π*(0.15)^2 ≈ 0.07 m2；

則晶圓承受壓力為：

要達到可靠吸附力，ESC 所需的電壓與結(jié)構(gòu)必須能承載此量級的吸力。

八、ESC 的設(shè)計優(yōu)化方向

為提升 chucking force 與工藝匹配性，需重點考慮：

材料選擇：

高介電常數(shù)（如 Al?O?）；

熱傳導(dǎo)性好；

表面抗腐蝕、抗磨損。

結(jié)構(gòu)設(shè)計：

最小化絕緣厚度（需權(quán)衡擊穿電壓）；

增大有效接觸面積；

表面微結(jié)構(gòu)與凹槽優(yōu)化。

電源控制：

精準(zhǔn) DC / RF 控制；

快速充放電設(shè)計，利于 chuck/dechuck；

監(jiān)控 leakage current，防止 wafer 損傷。

結(jié)語。靜電吸盤是現(xiàn)代半導(dǎo)體微加工過程中不可或缺的高精度裝置。它通過電介質(zhì)、電極結(jié)構(gòu)與工藝控制的深度整合，實現(xiàn)對晶圓的無損固定與高效熱控制。理解其電學(xué)、熱學(xué)與材料交互原理，是設(shè)計與調(diào)試微納設(shè)備的關(guān)鍵基礎(chǔ)。

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