静电吸盘--又称静电卡盘，是半导体工艺中的硅片夹持工具，被广泛用于PVD、CVD、ETCH等制程部门。在一些制程的process过程中需要固定wafer，并且维持wafer 背面压力的恒定。

     早期使用机械夹持的方式，但是传统的用爪子固定的方法不仅很可能会划伤晶圆，对特定部位施加强力可能会导致wafer碎裂，并且存在 wafer edge 不均一，chucking/dechucking 时机械运动引起particle 等问题。另外，如果采用真空吸附，则无法采用像吸盘那样减压吸附的方法。

      为了解决这些缺点，发明了使用静电吸附的方式，ESC- Electrostatic Chuck。ESC 利用电容两带电极板的库伦引力来固定wafer，这样wafer topside 无接触的chuck方式解决了机械卡盘和真空吸附的各种问题。

      其优点：1.Wafer 表面无机械夹持；2. 可以调节wafer 的温度，改善均一性；3. 可以减少 wafer edge exclusion。

图源：小叮当

基本原理：

      静电吸盘吸引力一般涉及三种吸附原理（库仑力、约翰逊-拉贝克力，梯度力）但在实际生产过程中并不总是只有一种力在起作用，而是多种力结合起来产生吸引物体的力。

      ESC 主要利用电容两电极板的库伦吸引原理制成，表面涂有绝缘层的ESC的主体部分为电容一侧电极， wafer 为电容的另一侧电极。库伦引力要大于wafer 背面用来降温的 He Flow 的的压力。    

图源：Tom聊芯片智造

ESC种类：Unipolar Type（单极型静电吸盘）& Bipolar Type（双极型静电吸盘）

        一、单极型静电吸盘：wafer从plasma中获取电荷，电极通电产生异向电荷，从而产生吸附。

单极型静电吸盘

        Chucking force：

F: 两电极间的库伦引力；

ε： 绝缘层的介电常数；

V： 两电极附加的电压；

D: 两极板间的距离；

P: 表面电荷密度；

E: 电场强度；

C: 电容量；

Q: 总电荷量。

由公式可以推算出，想增加chucking force， 可以：

1. 增加电压；

2. 减小绝缘层厚度；

3. 使用介电常数高的绝缘材料；

4. 增加wafer size；

但是实际上wafer 的尺寸一般来说是固定的6吋，8吋或者12吋，而且绝缘层的厚度也不能无限减小，所以经常以增大电压和使用介电常数更高的材料来增加chucking force。

        二、双极型静电吸盘，电源正负极均接在电极上，wafer在内部被极化，能够在没有plasma情况下被吸附；

双极型静电吸盘

        Chucking force：

        在双极型下：

        所以，chucking Force 是单极型的1/4：

F: 两电极间的库伦引力；

ε： 绝缘层的介电常数；

V： 两电极附加的电压；

D: 两极板间的距离；

P: 表面电荷密度；

E: 电场强度；

C: 电容量；

Q: 总电荷量。

ESC材料： 分为库伦型静电吸盘和迥斯热背型（Johnson-Rahbek）

        库伦型：纯电介质做成的吸盘，吸附力较小，电极需要高电压，约3000~4000V；

        JR型： 掺杂电介质做成的吸盘，略带导体性质。电极上施加电压时，电荷能够集中在表面附近，电极间的距离小，吸附力大，所需的电压较小，约500~800V。

        通常来说，JR型吸盘的吸力比库仑类的大，所以在对wafer温度控制要求很高的Etch机台中，越来越多地采用迥JR型吸盘，其电介质通常是参杂的氮化铝陶瓷材料，氮化铝有很好的导热性。

 库伦型

 JR型

ESC结构：

图源：海拓创新