什么是静电吸盘（ESC）？

一、静电吸盘（ESC）概述

静电吸盘（Electrostatic Chuck，ESC）是一种利用静电力吸附晶圆（wafer）于基座上的夹持装置，广泛应用于等离子蚀刻（Etch）、离子注入（Implant）等真空环境下的晶圆制程工艺中。

其核心优点在于：

• 无需物理夹持，避免机械应力；
• 保持晶圆表面完整性；
• 支持晶圆温控与高真空环境。
  
  

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二、静电吸盘的工作原理1. 基本原理

静电吸盘的基本结构可以类比为一个电容器：

• ESC 本体包含一个或多个金属电极；
• 电极外覆一层绝缘介质；
• 晶圆作为另一极被置于介质表面；
• 当对电极加电压时，形成电场，引起晶圆背面感应相反电荷 → 静电吸附力将晶圆固定。
  
  

此力称为 库伦力（Coulomb Force），只要维持电压，即可保持吸附。

ESC结构如下：

2. 吸附力计算公式（简化）

其中：

• ε\varepsilon：绝缘层的介电常数（与材料有关）；
• VV：加在电极上的电压；
• dd：绝缘层厚度；
• AA：有效吸附面积。
  
  

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三、ESC 的类型1. 单极型（Unipolar Type）

• 仅一个电极接电压，晶圆通过 plasma 或其它方式带电后形成对极；
• 结构简单，但需等离子体环境辅助；
• 常用于蚀刻等工艺。
  
  

特点：

• Chucking force 强；
• 易受工艺条件影响。
  
  

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2. 双极型（Bipolar Type）

• 两个电极分别接正负电压，晶圆不依赖等离子体也可被吸附；
• 更适合非等离子环境下的晶圆处理。
  
  

特点：

• 控制更精细；
• 吸附力为同电压条件下单极型的 1/4（理论值）；
• 更安全可靠。
  
  

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四、ESC 材料与结构类型1. 库伦型（Coulomb Type）

• 绝缘体电极结构；
• 需要较高电压（3000~4000V）产生足够吸附力；
• 结构简单，响应快。
  
  

2. Johnson-Rahbek 型（JR Type）

• 采用掺杂半导体材料（如 doped AlN）制成；
• 具一定导电性，表面电荷密集，电极之间距离小；
• 吸附力大，所需电压低（500~800V）；
• 适合高温、长时间吸附。
  
  

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五、ESC 的功能拓展

除了吸附晶圆，现代 ESC 通常具备：

• 背面氦气冷却系统：保持晶圆温度均匀；
• 温控电极：提高热传导；
• 微结构图案化表面：优化吸附均匀性与释放颗粒控制；
• 表面涂层技术：如 PECVD、PVD、聚合物涂层等，优化热、电性能。
  
  

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六、ESC 与工艺互动关系等离子体自偏压与 ESC 的电压关系

为何不能在 ESC 下部直接施加负电压以增强 plasma self-bias？

• ESC 与晶圆之间电容电阻模型决定了大部分 DC 电压都集中在 ESC-wafer 间；
• Plasma sheath 并不受此 DC 控制，不能形成有效自偏压；
• 附加 DC 反而可能影响吸附稳定性，造成晶圆移位。
  
  

解决办法：

• 引入低频 RF bias（例如 400kHz~2MHz），有效提升离子能量；
• RF bias 主要作用于 plasma sheath，真正改变 self-bias 行为。
  
  

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七、性能参数实例分析

假设：

• 12英寸晶圆，直径 300mm；
• 背面 He 压力 20Torr（约 2660 Pa）；
• ESC 有效吸附面积 A ≈ π*(0.15)^2 ≈ 0.07 m²；
• 则晶圆承受压力为：
  
  

要达到可靠吸附力，ESC 所需的电压与结构必须能承载此量级的吸力。

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八、ESC 的设计优化方向

为提升 chucking force 与工艺匹配性，需重点考虑：

• 材料选择：
  
  
  • 高介电常数（如 Al₂O₃）；
  • 热传导性好；
  • 表面抗腐蚀、抗磨损。
    
    
• 结构设计：
  
  
  • 最小化绝缘厚度（需权衡击穿电压）；
  • 增大有效接触面积；
  • 表面微结构与凹槽优化。
    
    
• 电源控制：
  
  
  • 精准 DC / RF 控制；
  • 快速充放电设计，利于 chuck/dechuck；
  • 监控 leakage current，防止 wafer 损伤。
    
    

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结语。静电吸盘是现代半导体微加工过程中不可或缺的高精度装置。它通过电介质、电极结构与工艺控制的深度整合，实现对晶圆的无损固定与高效热控制。理解其电学、热学与材料交互原理，是设计与调试微纳设备的关键基础。