Le noyau d'un mandrin électrostatique ESC est d'obtenir une fixation sans contact et précise de pièces minces telles que des plaques et des substrats en verre en vertu de l'induction électrostatique et de la force de champ électrique. Il s'agit essentiellement d'un système d'adsorption capacitive contrôlable, adapté aux conditions de travail difficiles des semi-conducteurs telles que les environnements sous vide et au plasma. Pendant ce temps, il s'adapte à diverses exigences de processus à travers différents mécanismes d'adsorption.
Il présente une structure de type sandwich: la couche inférieure est une plaque de base pour l'intégration de support et de circuit, la couche moyenne est constituée d'électrodes métalliques (unipolaires, bipolaires ou multipolaires), et la couche superficielle est recouverte d'une couche diélectrique isolante et thermiquement conductrice en matériaux tels que le nitrure d'aluminium et l'oxyde d'aluminium. Pendant le fonctionnement, la pièce agit comme la plaque supérieure d'un condensateur, l'électrode intégrée comme la plaque inférieure et la couche diélectrique comme le milieu isolant, formant une structure capacitive complète qui jette les bases de la génération de champs électriques.
Dans les applications pratiques, la force d'adsorption est principalement dérivée de trois mécanismes, chacun adapté aux besoins de différents scénarios. La première est l'adsorption de force de Coulomb, applicable aux couches diélectriques isolantes idéales. Lorsqu'une tension continue haute tension est appliquée, l'électrode génère un champ électrique qui induit des charges opposées à l'arrière de la pièce de travail, et la force de Coulomb générée par les charges opposées atteint l'adsorption. Ce mécanisme fournit une force d'adsorption uniforme, empêche la déformation de la pièce de travail et convient aux processus nécessitant une planéité élevée. L'ampleur de la force de Coulomb est corrélée positivement avec la constante diélectrique, la tension appliquée et la zone d'adsorption, et corrélée négativement avec l'épaisseur de la couche diélectrique. Deuxièmement, l'adsorption de force Johnson-Rahbek (J-R), le mécanisme industriel dominant, adapté aux couches diélectriques semiconducteurs dopées (avec faible courant de fuite). Les charges s'accumulent dans de minuscules espaces à la surface de contact pour former un champ micro électrique, et la force résultante est la force J-R. Ce mécanisme nécessite une tension plus faible (500-800V) et génère une force d'adsorption plus forte, qui peut surmonter la pression du refroidissement à l'hélium et s'adapter à une rugosité mineure sur la surface de contact. Le troisième est l'adsorption de force gradiente, communément vu dans les conceptions avec une disposition multi-électrode alternée. Les électrodes positives et négatives forment un champ électrique non uniforme, et la force résultante unidirectionnelle est générée par la différence de contrainte des deux côtés de la pièce. La force d'adsorption peut être améliorée en optimisant l'espacement des électrodes et l'épaisseur de la couche diélectrique, ce qui la rend adaptée aux pièces de travail ayant des formes spéciales.
Prenant le processus de gravure de semi-conducteurs comme exemple, le processus de travail complet est divisé en trois étapes, qui réalisent simultanément la fixation de la pièce à travailler et le contrôle de la température. Étape 1: Positionnement de la pièce de travail - La plaquette est transférée à la surface de la couche diélectrique du mandrin et ajustée à la position de montage. Étape 2: Adsorption électrostatique - Le contrôleur applique une tension réglée aux électrodes (l'aide au plasma est nécessaire pour charger la pièce en mode unipolaire, tandis que la pièce est polarisée directement en mode bipolaire), et l'adsorption est réalisée par la force de Coulomb ou la force J-R. La force d'adsorption doit être supérieure à la pression de refroidissement de l'hélium arrière pour assurer une fixation ferme. Étape 3: Traitement et libération – Pendant le traitement, la couche diélectrique conduit la chaleur et la température de la plaquette est régulée en coordonnant le gaz d’hélium avec le système de refroidissement intégré. Après traitement, la tension est coupée et une tension d'élimination statique inverse est appliquée pour éliminer les charges résiduelles et éviter l'adhésion de la pièce à travailler, suivie du transfert de plaques.
Basé sur le principe d'adsorption sans contact, le mandrin électrostatique ESC résout fondamentalement les problèmes de rayures et de déformation causés par le serrage mécanique traditionnel, ainsi que la défaillance de l'adsorption sous vide dans des environnements à vide ultra-élevé. Dans le même temps, les caractéristiques matérielles de la couche diélectrique et la conception de l'électrode multi-zone permettent de réaliser un contrôle de température uniforme de manière synchrone pendant le processus d'adsorption, répondant parfaitement aux exigences strictes en matière de précision et de stabilité des processus de semiconducteurs noyaux tels que la gravure au plasma, l'implantation d'ions et le dépôt de films minces.