ESC 정전척의 핵심은 정전 유도 및 전기장력 원리를 활용하여 웨이퍼, 유리 기판 등 박형 작업물의 비접촉식 정밀 고정을 구현하는 것이다. 본질적으로 제어 가능한 정전용량형 흡착 시스템으로, 진공, 플라즈마 환경 등 가혹한 반도체 작업 조건에 적합하며, 서로 다른 흡착 메커니즘을 통해 다양한 공정 요구 사항에 대응할 수 있다.
ESC 정전척은 샌드위치 구조를 특징으로 한다. 하부층은 지지 및 회로 집적 기능을 하는 베이스 플레이트이며, 중간층은 단극·양극·다극 형태의 금속 전극으로 구성되고, 표면층은 질화알루미늄, 산화알루미늄 등 소재로 제작된 절연·열전도성 유전체층으로 코팅된다. 작동 시 작업물은 커패시터의 상부 전극판 역할을 하고, 내장 전극은 하부 전극판 역할을 하며, 유전체층은 절연 매질로 기능하여 전기장 생성의 기반이 되는 완전한 정전용량 구조를 형성한다.
실제 적용 과정에서 흡착력은 주로 세 가지 메커니즘에서 유래하며, 각 메커니즘은 서로 다른 시나리오의 요구에 부합한다. 첫째는 쿨롱력 흡착으로, 이상적인 절연성 유전체층에 적용된다. 고전압 직류 전압을 인가하면 전극에서 전기장이 발생하여 작업물 배면에 반대 전하를 유도하고, 반대 전하 간에 생성되는 쿨롱력으로 흡착을 구현한다. 이 메커니즘은 흡착력이 균일하고 작업물 변형을 방지할 수 있어 높은 평탄도가 요구되는 공정에 적합하다. 쿨롱력의 크기는 유전율, 인가 전압, 흡착 면적과 정비례 관계를 가지며, 유전체층 두께와는 반비례 관계를 가진다. 둘째는 존슨-라베크(J-R)력 흡착으로, 산업계의 주류 적용 메커니즘이다. 도핑된 반도체 유전체층(미약한 누설 전류 존재)에 적합하며, 접촉면의 미세 틈에 전하가 축적되어 미소 전기장을 형성하고, 그 합력이 존슨-라베크력이다. 이 메커니즘은 인가 전압이 낮고(500~800V), 더 강한 흡착력을 생성할 수 있어 헬륨 냉각 압력을 극복할 수 있으며, 접촉면의 미세 거칠기에도 대응 가능하다. 셋째는 기울기력 흡착으로, 교호 다전극 배열 설계에서 주로 볼 수 있다. 양·음 전극이 불균일한 전기장을 형성하고, 작업물 양측의 응력 차이로 단방향 합력이 발생한다. 전극 간격과 유전체층 두께를 최적화하여 흡착력을 강화할 수 있어 특수 형상의 작업물 가공에 적합하다.
반도체 식각 공정을 예로 들면, 전체 작동 과정은 작업물 고정과 온도 제어를 동시에 구현하는 세 단계로 나뉜다. 단계 1: 작업물 위치 설정 – 웨이퍼를 척의 유전체층 표면으로 이송하고, 정합 위치로 조정한다. 단계 2: 정전 흡착 – 제어기가 전극에 설정된 전압을 인가한다(단극 방식은 작업물 충전을 위해 플라즈마 보조가 필요하며, 양극 방식은 작업물을 직접 분극시킨다). 이후 쿨롱력 또는 존슨-라베크력으로 흡착을 구현하는데, 흡착력은 배면 헬륨 냉각 압력보다 커야 견고한 고정을 보장할 수 있다. 단계 3: 가공 및 해제 – 가공 중 유전체층이 열을 전도하며, 헬륨 가스와 내장 냉각 시스템을 연동하여 웨이퍼 온도를 조절한다. 가공 완료 후 전압을 차단하고 역방향 제전 전압을 인가하여 잔류 전하를 제거하고 작업물 부착 현상을 방지한 뒤, 웨이퍼를 이송한다.
ESC 정전척은 비접촉 흡착 원리를 기반으로, 기존 기계식 클램핑으로 인한 스크래치·변형 문제와 초고진공 환경에서 진공 흡착이 실패하는 문제를 근본적으로 해결한다. 동시에 유전체층의 소재 특성과 멀티존 전극 설계를 통해 흡착 과정에서 균일한 온도 제어를 동시에 구현할 수 있어, 플라즈마 식각, 이온 주입, 박막 증착 등 반도체 핵심 공정의 엄격한 정밀도 및 안정성 요구 사항을 완벽하게 충족한다.