靜電吸盤（ESC）是什麼？晶圓在真空機台裡怎麼被固定、背面為什麼要通氦氣

靜電吸盤（ESC）是什麼？

靜電吸盤（electrostatic chuck，簡稱 ESC，也有人叫 E-chuck）是蝕刻、離子植入、長膜這些真空機台裡，放晶圓的那塊載台。它裡面埋著電極，加上電壓之後，隔著表面一層很薄的絕緣層，用靜電把整片晶圓吸平、吸住。它還同時管溫度：晶圓背面和吸盤之間通著氦氣（He 背壓），把熱傳下去。

為什麼真空裡要改用靜電、為什麼用氦氣，名詞卡講了；這篇往下講：靜電怎麼吸、氦氣怎麼看，晶圓怎麼吸上、怎麼放開。

晶圓為什麼要固定？機械夾和靜電吸盤差在哪？

晶圓在腔體裡一待就是幾十秒到幾分鐘，要躺得平、不能跑，溫度也要穩。在一般氣壓下，塗光阻、針測、切割的機台用抽氣的吸盤，靠外面的大氣把晶圓壓下去；腔體裡沒有大氣，這招就失靈了。

另一種作法是機械夾：用一圈環從正面壓住晶圓的邊。簡單，但有三個麻煩：

• 壓住的那一圈刻不到：被環蓋住的地方，做不成晶片。
• 碰到正面：環壓上去、拿起來，碰觸和摩擦都可能帶來微粒（particle）。
• 只按得住邊緣：中間沒有東西按著，背面通了氣，整片的溫度不容易一樣。

靜電吸盤只碰背面、整面一起吸，所以平，正面也乾淨，現在不少真空機台都用它。

靜電怎麼把晶圓吸住？

想像兩片金屬，中間夾一層絕緣，接上電：兩片會各帶相反的電，互相吸住。吸盤裡的電極是一片，矽晶圓是另一片，中間那層就是吸盤表面的絕緣層。

這種吸力跟距離很有關係：貼得越近吸得越緊，隔遠一點，吸力就掉很多。所以絕緣層要很薄、表面要很平；晶圓翹起來，或背面卡了一顆微粒，那一塊就吸不緊。

看絕緣層導不導電，常見的分兩種：

• 庫倫型：絕緣層幾乎完全不導電，電荷停在電極和晶圓兩邊互相吸。電一關，放得快。
• J-R 型（Johnsen-Rahbek，以兩位丹麥工程師命名）：絕緣層刻意做成能導一點點電，有很小的電流流到晶圓和吸盤貼著的那一面，電荷聚在那裡，同樣的電壓吸得更緊。代價是電關掉之後，那一點電流要比較久才停，晶圓比較晚放得開。

另外，也有把電極分成兩半、一正一負的作法，不必等電漿點起來就吸得住。

背面為什麼要通氦氣？

電漿一直把能量打在晶圓上，晶圓會變熱；溫度差一點，刻出來的形狀就不一樣（見「電漿是什麼？」）。

真空裡沒有空氣幫忙把熱帶走（見「半導體機台為什麼要抽真空？」）。晶圓雖然躺在吸盤上，兩個面放大看都是凹凸，真正碰到的只有很小的點，像兩張砂紙疊在一起；點和點之間的縫是真空，熱過不太去。

所以在這道縫裡通進氦氣。氣體分子在晶圓和吸盤之間來回撞，把熱帶下去，交給底下有冷卻液流過的金屬底座。吸盤表面刻著細細的溝，讓氦氣鋪滿整個背面。

氦氣的壓力高一點，傳熱就好一點；可是它比腔體裡的壓力高，會把晶圓往上推。吸盤的吸力要夠，才壓得住。

氦氣流量變高，代表什麼？

氦氣會從晶圓邊緣慢慢漏進腔體，漏一點是正常的。機台把背面的壓力穩在設定值，漏多少就補多少，所以補進去的流量就是漏掉的量：流量越高，漏得越多。常見的原因有三種：

• 背面有東西：一顆微粒就把晶圓撐起一小塊。有大學無塵室的操作手冊寫：氦氣漏太多、機台跳 alarm，先把樣品背面清乾淨再試。
• 晶圓翹了：不容易整片貼平，背面留著縫。
• 吸盤用久了：表面磨耗、沾上東西，吸力和貼合都會慢慢變差。

漏太多，溫度就控不住；後面會怎樣，見「電漿是什麼？」。

晶圓怎麼吸上、怎麼放開？一步一步看

1. 放上去：手臂把晶圓送進腔體，吸盤底下的升降針伸上來接住，手臂退出去，針再往下收，晶圓落到吸盤上。先用針撐高，手臂才抽得出來；不然手臂卡在晶圓底下。
2. 加電壓吸住：電極通上電，晶圓被吸平。先吸平，背面才封得住氣。
3. 通氦氣、確認：看背面的壓力有沒有建起來、流量在不在範圍內。這一眼是在確認「真的吸住了」；這一步不過，機台通常不往下做，跳 alarm。
4. 做製程：點電漿蝕刻，過程中一直盯著氦氣流量。溫度穩，整片才刻得一樣；流量一衝高，機台就停。
5. 停氦氣、抽乾淨：做完先停氦氣，把背面剩下的氣抽掉。
6. 放電（去吸附，dechuck）：關掉電壓，也可以在電漿裡再加一段正負交替的電壓，把殘留的電荷中和掉。電關了，電荷不一定馬上散，J-R 型尤其要等比較久。
7. 頂起、送出：升降針把晶圓頂起來，手臂伸進去接走。電荷沒散乾淨，晶圓還黏在吸盤上，針一頂就可能滑開、跳一下，甚至破掉。

吸不住、放不開的時候，現場怎麼處理？

• 一開始就吸不住：氦氣壓力建不起來，機台不往下做，跳出晶圓沒吸住之類的訊息。這是機台自己擋下的互鎖，一直按 reset 沒有用，晶圓還會被多推一次（見「機台的 Alarm 和 Warning 是什麼？」）。先查晶圓背面乾不乾淨、有沒有翹，吸盤的電源和漏電流，氦氣管路的接頭。
• 流量一天比一天高：吸盤慢慢磨耗，每一片都還在範圍裡，要看趨勢才看得出來（見「FDC 是什麼？」）。
• 要換吸盤：開腔、換件、抽真空、測漏，再測機，過了才能跑貨（見「機台修好了，為什麼還要『測機』？」）。

在 fab24hr 裡

按「進廠」、選「打工人的一天」，在「今天你是」卡片上點「量產廠」，左右滑到設備工程師，名字下面點「蝕刻」。

• 深夜班「三通電話」：03:40 製程打來，ETCH-03 的 A 腔 02:47 跳了 He 背壓的 alarm。你在家，只看得到夜班拍的機台背面：A 腔的 He 流量 14.2，B 腔平常是 8，可是那只是結果；要找的是 ESC 的漏電流燈。要不要現在就叫設備商早上帶一顆 ESC 來，由你決定。
• 早班「開腔」：拆下的舊 ESC 表面磨耗，還有一處電弧燒過的痕跡。第 7 片可能還在腔裡，你可以自己用手動模式退：先確認吸盤放完電，再升頂針。新的 ESC 要八顆螺絲對角鎖，吸盤才會平；測漏可能找到 ESC 背面 He 接頭的 O-ring 沒坐正。省掉測漏的話，測機片的 He 流量會超過警示線，得再開一次腔。

改滑到製造部，深夜班你如果不先打電話、先按一次 reset，機台會跳同一個 alarm，下面多一行 WAFER NOT CHUCKED。

想看晶圓怎麼放上吸盤，可以打開電漿蝕刻腔，點晶圓底下的靜電吸盤看說明，再按「看它怎麼動」，看升降針把晶圓放上吸盤、做完再頂起來。

遊戲裡的公司、人物、機台編號和數字都是虛構的；靜電吸盤和背面氦氣的原理，照公開的一般資料寫。其他行話可以到「半導體晶圓廠的行話，白話解釋」查。