静电卡盘，简称ESC，E-chuck（Electrostatic Chuck），在半导体设备中价值比较高的部件之一，以刻蚀设备为例，在晶圆加工过程中主要起到为晶圆背面提供支撑，以静电吸附的方式保证其固定，为晶圆提供动态恒定的温度。
ESC 利用电容两带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。
在实践中也可以看到其datalog，一般晶圆进入chamber之后，先产生clamp voltage（~3600-4000v），以保证wafer与ESC 之间吸附，然后提供一定压力的氦气（Helium），可见氦气流量陡升后逐渐降低，表示wafer 与ESC之间逐渐充斥满氦气，氦气作为良好的热传导介质，将wafer 上多余的热量导走（ESC内部有冷却介质循环流动）。
ESC 分类，引用一下文献讲的更为详细，在对晶片温度控制要求很高的蚀刻机中，越来越多地采用迥斯热背类吸盘，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。
ESC 按照极性分类
3.半导体物理刻蚀中为什么ESC方向是阴极?
下电极馈入射频后，会在腔室内形成一个大致垂直于下电级（通常就是静电卡盘，ESC）的交变电场。刚通上电时，下电极正电与负电的峰值和以及正电和负电持续时间一致。由于离子和电子的带电量相同，它们在电场中受力基本相同，而离子质量远大于电子，使得电子获得了远远大于离子的加速度。在特定的电场变化频率下（通常是13.56MHz），导致最初只有电子能够抵达下电极。由于下电级与地绝缘，电子在下电极不断累积形成负的自偏压（self-bias voltage），致使下电极形成你所说的阴极。当上述过程持续一段时间后，电子由于斥力无法再达到下电级，而离子在引力作用下能够抵达下电级时，整个系统达到一个平衡。只有当正离子抵达下电级的wafer上时，真正意义上的刻蚀才算开始。
早期使用机械夹持的方式。这种方式存在 wafer edge 不均一，chucking/dechucking 时机械运动引起particle 的问题
为了解决机械卡盘的缺点，发明了使用静电吸附的真空吸附方式，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的wafer edge uniformity 和 particle 问题。
基本原理：
ESC 利用电容两带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。
ESC 的优点:
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
Unipolar Type 和 Bipolar Type ESC
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。
这时的chucking force:
P: 表面电荷密度
E: 电场强度
C: 电容量
Q: 总电荷量
由此可以看出，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
实际上wafer 的尺寸一般来说是固定的，绝缘层的厚度也不能无限减小。
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。
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。
为什么不在ESC下部附加负电压来增加plasma的自偏压呢？
下部电极的等效回路各部分的电容和电阻
1. RF基座和ESC 之间 (Cp, Rp)
2. ESC和Wafer 之间 （Cc, Rc）
3. Wafer 和 plasma sheath (Csh, Rsh)
用于静电吸附的DC voltage绝大部分在ESC和wafer间，并不影响plasma的self bias。 在unipolar型中，会有轻微的影响。
即使另外接负的直流电压，由于电容成分的存在，直流不能通过，而且会导致wafer不能固定。
而下部RF voltage 大部分分布在plasma sheath，当然会影响self bias。以下部外加低频的RF voltage 可以提高ion energy。
增加一些数据，更加直观的了解ESC 的力
假设 12inch 的 wafer , 下部 He Flow Pressure是 20Torr
Wafer 受到的冲击力 F=PA =20Torr(133Pa/Torr）π*（0.15）^2 ≈187N
Al2O3 的相对介电常数ε约为10
真空介电常数ε0=8.85e-12（F/m）, ε=8.85e-11（F/m）
ESC绝缘层厚度约为 0.2mm
Unipolar 库型ESC , Chucking Voltage 4000V
Chucking Force F
