O núcleo de um Chuck eletrostático ESC é alcançar a fixação sem contato e precisa de peças finas, como wafers e substratos de vidro, em virtude da indução eletrostática e da força de campo elétrico. Em essência, é um sistema de adsorção capacitiva controlável, adequado para condições de trabalho severas de semicondutores, como ambientes de vácuo e plasma. Enquanto isso, ele se adapta a vários requisitos de processo através de diferentes mecanismos de adsorção.
Ele apresenta uma estrutura semelhante a um sanduíche: a camada inferior é uma placa base para a integração de suporte e circuito, a camada média consiste em eletrodos metálicos (unipolares, bipolares ou multipolares), e a camada superficial é coberta com uma camada dielétrica isolante e térmicamente condutora feita de materiais como nitreto de alumínio e óxido de alumínio. Durante a operação, a peça de trabalho atua como a placa superior de um capacitor, o eletrodo incorporado como a placa inferior e a camada dielétrica como o meio isolante, formando uma estrutura capacitiva completa que estabelece as bases para a geração de campos elétricos.
Em aplicações práticas, a força de adsorção é derivada principalmente de três mecanismos, cada um adaptado às necessidades de diferentes cenários. Primeiro é a adsorção de força de Coulomb, aplicável a camadas dielétricas isolantes ideais. Quando uma tensão CC de alta tensão é aplicada, o eletrodo gera um campo elétrico que induz cargas opostas na parte de trás da peça de trabalho, e a força de Coulomb gerada pelas cargas opostas alcança a adsorção. Este mecanismo fornece força de adsorção uniforme, evita a deformação da peça de trabalho e é adequado para processos que exigem alta planicidade. A magnitude da força de Coulomb está positivamente correlacionada com a constante dielétrica, a tensão aplicada e a área de adsorção, e negativamente correlacionada com a espessura da camada dielétrica. Segundo é a adsorção de força Johnson-Rahbek (J-R), o mecanismo industrial principal, adequado para camadas dielétricas semicondutoras dopadas (com corrente de vazamento fraca). As cargas se acumulam em pequenas lacunas na superfície de contato para formar um campo micro elétrico, e a força resultante é a força J-R. Este mecanismo requer uma tensão mais baixa (500-800V) e gera uma força de adsorção mais forte, que pode superar a pressão do resfriamento de hélio e adaptar-se a menor rugosidade na superfície de contato. Terceiro é a adsorção de força gradiente, comumente vista em projetos com arranjo alternado de vários eletrodos. Os eletrodos positivos e negativos formam um campo elétrico não uniforme, e a força resultante unidirecional é gerada pela diferença de tensão em ambos os lados da peça de trabalho. A força de adsorção pode ser melhorada otimizando o espaçamento dos eletrodos e a espessura da camada dielétrica, tornando-a adequada para peças de trabalho com formas especiais.
Tomando o processo de gravação de semicondutores como exemplo, o processo de trabalho completo é dividido em três etapas, que realizam simultaneamente a fixação da peça de trabalho e o controle da temperatura. Passo 1: Posicionamento da peça de trabalho - O wafer é transferido para a superfície da camada dielétrica do chuck e ajustado à posição de montagem. Passo 2: Adsorção eletrostática - O controlador aplica uma tensão ajustada aos eletrodos (a assistência de plasma é necessária para o carregamento da peça de trabalho no modo unipolar, enquanto a peça de trabalho é polarizada diretamente no modo bipolar), e a adsorção é alcançada através da força de Coulomb ou força J-R. A força de adsorção deve ser maior que a pressão de refrigeração de hélio do lado traseiro para garantir a fixação firme. Passo 3: Processamento e Liberação – Durante o processamento, a camada dielétrica conduz calor e a temperatura do wafer é regulada coordenando o gás de hélio com o sistema de refrigeração incorporado. Após o processamento, a tensão é cortada e uma tensão de eliminação estática inversa é aplicada para eliminar cargas residuais e evitar a adesão da peça de trabalho, seguida da transferência de wafer.
Com base no princípio de adsorção sem contato, o Chuck Electrostatic ESC resolve fundamentalmente os problemas de arranhões e deformação causados pela fixação mecânica tradicional, bem como a falha da adsorção a vácuo em ambientes de vácuo ultra-alto. Ao mesmo tempo, as características materiais da camada dielétrica e o projeto de eletrodos multi-zona permitem que o controle uniforme da temperatura seja realizado sincronicamente durante o processo de adsorção, atendendo perfeitamente aos rigorosos requisitos de precisão e estabilidade de processos semicondutores de núcleo, como gravação de plasma, implantação de íons e deposição de filme fino.