El núcleo de un mandril electrostático ESC es lograr la fijación sin contacto y precisa de piezas de trabajo delgadas tales como obleas y sustratos de vidrio en virtud de la inducción electrostática y la fuerza de campo eléctrico. En esencia, es un sistema de adsorción capacitiva controlable, adecuado para condiciones de trabajo duras de semiconductores como entornos de vacío y plasma. Mientras tanto, se adapta a diversos requisitos de proceso a través de diferentes mecanismos de adsorción.
Cuenta con una estructura de tipo sándwich: la capa inferior es una placa base para la integración de soporte y circuito, la capa media consiste en electrodos metálicos (unipolares, bipolares o multipolares), y la capa superficial está cubierta con una capa dieléctrica aislante y térmicamente conductora hecha de materiales tales como nitruro de aluminio y óxido de aluminio. Durante el funcionamiento, la pieza de trabajo actúa como la placa superior de un condensador, el electrodo incorporado como la placa inferior, y la capa dieléctrica como el medio aislante, formando una estructura capacitiva completa que sienta las bases para la generación de campos eléctricos.
En aplicaciones prácticas, la fuerza de adsorción se deriva principalmente de tres mecanismos, cada uno adaptado a las necesidades de diferentes escenarios. La primera es la adsorción por fuerza de Coulomb, aplicable a capas dieléctricas aislantes ideales. Cuando se aplica una tensión continua de alta tensión, el electrodo genera un campo eléctrico que induce cargas opuestas en la parte posterior de la pieza de trabajo, y la fuerza de Coulomb generada por las cargas opuestas logra la adsorción. Este mecanismo proporciona una fuerza de adsorción uniforme, evita la deformación de la pieza de trabajo y es adecuado para procesos que requieren una alta planitud. La magnitud de la fuerza de Coulomb se correlaciona positivamente con la constante dieléctrica, el voltaje aplicado y el área de adsorción, y se correlaciona negativamente con el grosor de la capa dieléctrica. El segundo es la adsorción de fuerza de Johnson-Rahbek (J-R), el mecanismo industrial principal, adecuado para capas dieléctricas de semiconductores dopadas (con corriente de fuga débil). Las cargas se acumulan en pequeños huecos en la superficie de contacto para formar un campo microeléctrico, y la fuerza resultante es la fuerza J-R. Este mecanismo requiere una tensión más baja (500-800V) y genera una fuerza de adsorción más fuerte, que puede superar la presión del enfriamiento por helio y adaptarse a una rugosidad menor en la superficie de contacto. El tercero es la adsorción por fuerza gradiente, comúnmente vista en diseños con disposición alterna de múltiples electrodos. Los electrodos positivos y negativos forman un campo eléctrico no uniforme, y la fuerza resultante unidireccional es generada por la diferencia de tensión en ambos lados de la pieza de trabajo. La fuerza de adsorción se puede mejorar optimizando la separación de electrodos y el grosor de la capa dieléctrica, lo que la hace adecuada para piezas de trabajo con formas especiales.
Tomando el proceso de grabado de semiconductores como ejemplo, el proceso de trabajo completo se divide en tres etapas, que realizan simultáneamente la fijación de la pieza de trabajo y el control de la temperatura. Paso 1: Posicionamiento de la pieza de trabajo – La oblea se transfiere a la superficie de la capa dieléctrica del mandril y se ajusta a la posición de ajuste. Paso 2: Adsorción electrostática – El controlador aplica una tensión fijada a los electrodos (se requiere asistencia de plasma para cargar la pieza de trabajo en modo unipolar, mientras que la pieza de trabajo está polarizada directamente en modo bipolar), y la adsorción se logra a través de la fuerza de Coulomb o la fuerza J-R. La fuerza de adsorción debe ser mayor que la presión de enfriamiento del helio posterior para asegurar una fijación firme. Paso 3: Procesamiento y liberación – Durante el procesamiento, la capa dieléctrica conduce calor y la temperatura de la oblea se regula coordinando el gas de helio con el sistema de refrigeración incorporado. Después del procesamiento, se corta la tensión y se aplica una tensión de eliminación estática inversa para eliminar cargas residuales y evitar la adhesión de la pieza de trabajo, seguida de la transferencia de obleas.
Basado en el principio de adsorción sin contacto, el mandril electrostático ESC resuelve fundamentalmente los problemas de arañazos y deformación causados por la sujeción mecánica tradicional, así como el fallo de la adsorción al vacío en entornos de vacío ultra alto. Al mismo tiempo, las características del material de la capa dieléctrica y el diseño del electrodo de múltiples zonas permiten que el control de temperatura uniforme se realice de forma sincrónica durante el proceso de adsorción, cumpliendo perfectamente los estrictos requisitos para la precisión y la estabilidad de los procesos de semiconductores de núcleo tales como grabado de plasma, implantación iónica y deposición de película delgada.