Electrostatic Chuck（ESC 靜電吸盤）--半導體Critical parts介紹

靜電吸盤--又稱靜電卡盤，是半導體工藝中的硅片夾持工具，被廣泛用于PVD、CVD、ETCH等制程部門。在一些制程的process過程中需要固定wafer，并且維持wafer 背面壓力的恒定。

     早期使用機械夾持的方式，但是傳統的用爪子固定的方法不僅很可能會劃傷晶圓，對特定部位施加強力可能會導致wafer碎裂，并且存在 wafer edge 不均一，chucking/dechucking 時機械運動引起particle 等問題。另外，如果采用真空吸附，則無法采用像吸盤那樣減壓吸附的方法。

      為了解決這些缺點，發明了使用靜電吸附的方式，ESC- Electrostatic Chuck。ESC 利用電容兩帶電極板的庫倫引力來固定wafer，這樣wafer topside 無接觸的chuck方式解決了機械卡盤和真空吸附的各種問題。

      其優點：1.Wafer 表面無機械夾持；2. 可以調節wafer 的溫度，改善均一性；3. 可以減少 wafer edge exclusion。

圖源：小叮當

基本原理：

      靜電吸盤吸引力一般涉及三種吸附原理（庫侖力、約翰遜-拉貝克力，梯度力）但在實際生產過程中并不總是只有一種力在起作用，而是多種力結合起來產生吸引物體的力。

      ESC 主要利用電容兩電極板的庫倫吸引原理制成，表面涂有絕緣層的ESC的主體部分為電容一側電極， wafer 為電容的另一側電極。庫倫引力要大于wafer 背面用來降溫的 He Flow 的的壓力。    

圖源：Tom聊芯片智造

ESC種類：Unipolar Type（單極型靜電吸盤）& Bipolar Type（雙極型靜電吸盤）

        一、單極型靜電吸盤：wafer從plasma中獲取電荷，電極通電產生異向電荷，從而產生吸附。

單極型靜電吸盤

        Chucking force：

F: 兩電極間的庫倫引力；

ε： 絕緣層的介電常數；

V： 兩電極附加的電壓；

D: 兩極板間的距離；

P: 表面電荷密度；

E: 電場強度；

C: 電容量；

Q: 總電荷量。

由公式可以推算出，想增加chucking force， 可以：

1. 增加電壓；

2. 減小絕緣層厚度；

3. 使用介電常數高的絕緣材料；

4. 增加wafer size；

但是實際上wafer 的尺寸一般來說是固定的6吋，8吋或者12吋，而且絕緣層的厚度也不能無限減小，所以經常以增大電壓和使用介電常數更高的材料來增加chucking force。

        二、雙極型靜電吸盤，電源正負極均接在電極上，wafer在內部被極化，能夠在沒有plasma情況下被吸附；

雙極型靜電吸盤

        Chucking force：

        在雙極型下：

        所以，chucking Force 是單極型的1/4：

F: 兩電極間的庫倫引力；

ε： 絕緣層的介電常數；

V： 兩電極附加的電壓；

D: 兩極板間的距離；

P: 表面電荷密度；

E: 電場強度；

C: 電容量；

Q: 總電荷量。

ESC材料： 分為庫倫型靜電吸盤和迥斯熱背型（Johnson-Rahbek）

        庫倫型：純電介質做成的吸盤，吸附力較小，電極需要高電壓，約3000~4000V；

        JR型： 摻雜電介質做成的吸盤，略帶導體性質。電極上施加電壓時，電荷能夠集中在表面附近，電極間的距離小，吸附力大，所需的電壓較小，約500~800V。

        通常來說，JR型吸盤的吸力比庫侖類的大，所以在對wafer溫度控制要求很高的Etch機臺中，越來越多地采用迥JR型吸盤，其電介質通常是參雜的氮化鋁陶瓷材料，氮化鋁有很好的導熱性。

 庫倫型

 JR型

ESC結構：

圖源：海拓創新