最後更新:2026年10月8日設備零組件・耗材電漿腔體零組件・耗材中國大陸:静电卡盘

靜電吸盤(ESC)是什麼

Electrostatic Chuck (ESC)

靜電吸盤是在真空中以靜電力將晶圓吸附、固定於載台上的陶瓷零組件。比起吸附本身,其本質功能在於將He氣體封存於晶圓背面以帶走熱量、作為「溫度控制的基礎」;面內溫差一旦超過±1℃,蝕刻尺寸就會產生變異。依介電層電阻率分為庫倫型與Johnsen-Rahbek型,主要材料為AlN與氧化鋁。

目錄4 項
  1. 定義與原理
  2. 常見問題
  3. 相關用語
  4. 比較文章

定義與原理

靜電吸盤(ESC:Electrostatic Chuck)是對埋設於介電層中的電極施加直流電壓,以靜電力(庫倫力或Johnsen-Rahbek力)將晶圓吸附、固定在載台上的設備零組件。在真空腔體內無法使用利用大氣壓差的真空吸盤,因此在蝕刻、PECVD、PVD、離子佈植等幾乎所有真空製程設備中,ESC都是固定晶圓的標準手段。

吸附方式依介電層的體積電阻率分為2種。庫倫型使用高電阻(10¹⁵Ω·cm以上)的氧化鋁等材料,藉由真正的靜電電容取得吸附力,特點是脫附反應快、不易產生殘留吸附。Johnsen-Rahbek(JR)型使用中電阻(10⁹~10¹²Ω·cm)的氮化鋁(AlN)等材料,藉由微小漏電流縮小有效間隙,可獲得數倍的吸附力,但溫度依存性大,脫附時須注意殘留吸附。

ESC的本質功能與其說是「固定」,不如說是「熱控制」。為了帶走電漿流入晶圓的熱量,ESC內部設有冷媒流道,並在晶圓背面與ESC表面之間導入數Torr~數十Torr的He(氦)背面氣體以確保熱傳導。吸附力不足時He會洩漏,面內溫度分布失衡,使蝕刻形狀與CD(尺寸)均勻性惡化,因此吸附力、He壓力與分區溫度控制需一體設計。

在先進製程中,ESC的多分區化持續推進。高深寬比蝕刻要求將面內溫差抑制在±1℃以下,將同心圓狀分割的多個區域各自獨立加熱與冷卻的多分區ESC已成為標準。介電層表面暴露於電漿中,因此使用耐電漿性高的AlN與氧化鋁,表面並施以壓花(微小凸起)加工,以減少微粒附著於晶圓背面。

ESC屬於高精度陶瓷零組件,主要供應商有日本礙子(NGK Insulators)、TOTO、Creative Technology、京瓷等。設備廠商(科林研發、東京威力科創、應用材料)多半與零組件廠商共同開發自家設計的ESC;隨耗損進行的定期更換與再生(表面研磨、重新塗層)也是晶圓廠營運成本的一部分。

靜電吸盤(ESC)的常見問題

為什麼真空腔體需要靜電吸盤?
因為在真空中,原理上無法使用利用大氣壓差的真空吸盤。靜電力不受腔體內壓力影響即可固定晶圓,還能在背面封存He氣體形成散熱路徑,因此對承受電漿熱輸入的製程而言,實質上是唯一的選擇。
庫倫型與Johnsen-Rahbek型有什麼不同?
差異在於介電層的體積電阻率。庫倫型使用10¹⁵Ω·cm以上的高電阻材料(氧化鋁等),特點是脫附反應快、不易產生殘留吸附。Johnsen-Rahbek型使用10⁹~10¹²Ω·cm的中電阻材料(AlN等),利用微小漏電流可獲得數倍的吸附力,但溫度依存性較大。
靜電吸盤的吸附力不足會怎樣?
背面的He氣體會洩漏,熱傳導下降,晶圓面內的溫度分布失衡。溫度強烈主導蝕刻速率與選擇比,因此外圍的CD(尺寸)會偏移,孔洞形狀也會因位置而異,導致良率下降。吸附力、He壓力與溫度控制需一體設計。

相關設備・材料

比較文章

所屬主題