Ядро электростатического патрона ESC заключается в достижении бесконтактной и точной фиксации тонких деталей, таких как пластинки и стеклянные подложки, в силу электростатической индукции и силы электрического поля. По сути, это управляемая емкостная адсорбционная система, подходящая для жестких условий работы полупроводников, таких как вакуумная и плазменная среда. Между тем, он адаптируется к различным требованиям процесса через различные механизмы адсорбции.
Он имеет бутербродную структуру: нижний слой является базовой пластиной для поддержки и интеграции схемы, средний слой состоит из металлических электродов (однополярных, биполярных или многополярных), а поверхностный слой покрыт изолирующим и теплопроводящим диэлектрическим слоем из таких материалов, как нитрид алюминия и оксид алюминия. Во время работы деталь действует в качестве верхней пластины конденсатора, встроенный электрод в качестве нижней пластины, а диэлектрический слой в качестве изолирующей среды, образуя полную емкостную структуру, которая закладывает основу для генерации электрического поля.
В практическом применении адсорбционная сила в основном производится из трех механизмов, каждый из которых адаптирован к потребностям различных сценариев. Первым является адсорбция силы Куломба, применяемая к идеальным изолирующим диэлектрическим слоям. Когда применяется высоковольтное постоянное напряжение, электрод генерирует электрическое поле, которое индуцирует противоположные заряды на задней части рабочей части, а сила Куломба, генерируемая противоположными зарядами, достигает адсорбции. Этот механизм обеспечивает равномерную адсорбционную силу, предотвращает деформацию рабочей части и подходит для процессов, требующих высокой плоскости. Величина силы Куломба положительно коррелирует с диэлектрической константой, приложенным напряжением и площадью адсорбции, а отрицательно коррелирует с толщиной диэлектрического слоя. Во-вторых, силовая адсорбция Джонсона-Рахбека (J-R), основной промышленный механизм, подходящий для допированных полупроводниковых диэлектрических слоев (с слабым током утечки). Заряды накапливаются в крошечных пробелах на поверхности контакта, образуя микроэлектрическое поле, и полученная сила является силой J-R. Этот механизм требует более низкого напряжения (500-800В) и генерирует более сильную адсорбционную силу, которая может преодолеть давление гелиевого охлаждения и адаптироваться к незначительной шерсткости на контактной поверхности. В-третьих, градиентная силовая адсорбция, обычно встречающаяся в конструкциях с переменным многоэлектродным расположением. Положительные и отрицательные электроды образуют неравномерное электрическое поле, а однонаправленная полученная сила генерируется разницей напряжения с обеих сторон деталя. Сила адсорбции может быть повышена путем оптимизации расстояния электродов и толщины диэлектрического слоя, что делает его подходящим для деталей с особыми формами.
Принимая в качестве примера процесс гравирования полупроводников, полный рабочий процесс делится на три этапа, которые одновременно реализуют фиксацию детали и контроль температуры. Шаг 1: Позиционирование рабочей части - пластинка передается на поверхность диэлектрического слоя патрона и регулируется в положение монтажа. Шаг 2: Электростатическая адсорбция Контроллер применяет установленное напряжение к электродам (для зарядки рабочей части в однополярном режиме требуется помощь плазмы, в то время как рабочая часть непосредственно поляризируется в биполярном режиме), и адсорбция достигается с помощью силы Куломба или силы J-R. Сила адсорбции должна быть больше, чем давление охлаждения гелия на задней стороне, чтобы обеспечить твердую фиксацию. Шаг 3: Обработка и высвобождение - во время обработки диэлектрический слой проводит тепло, а температура пластинки регулируется координацией гелиевого газа со встроенной системой охлаждения. После обработки напряжение отключается, а напряжение обратного статического устранения применяется для устранения остаточных зарядов и предотвращения адгезии рабочей части, а затем передачи пластинки.
Основываясь на принципе бесконтактной адсорбции, электростатический патрон ESC в основном решает проблемы царапин и деформации, вызванные традиционным механическим зажимом, а также отказом вакуумной адсорбции в ультравысоковакуумных условиях. В то же время материальные характеристики диэлектрического слоя и многозонная конструкция электрода позволяют синхронно осуществлять единообразный контроль температуры во время процесса адсорбции, прекрасно удовлетворяя строгим требованиям к точности и стабильности основных полупроводниковых процессов, таких как плазменное гравирование, ионная имплантация и осаждение тонкой пленки.