ESC静電チャックのコアは静電誘導と電界力を利用してウエハやガラス基板などの薄いワークの非接触式精密固定を実現することである。本質的には、真空やプラズマ環境などの劣悪な半導体動作条件に適する制御可能な容量吸着システムである。同時に、それは異なる吸着機構を通じて各種の技術要求に適応する。
サンドイッチ状の構造を有している：下地層は支持と回路集積のための基板であり、中間層は金属電極（単極、双極または多極）からなり、表層は窒化アルミニウムや酸化アルミニウムなどの材料からなる絶縁熱伝導誘電層で覆われている。操作中、ワークはコンデンサの上板として働き、内蔵電極は下板として働き、誘電体層は絶縁媒体として働き、完全な容量構造を形成し、電界発生のために基礎を築く。
実際の応用では、吸着力は主に3つのメカニズムに由来し、それぞれのメカニズムは異なるシーンのニーズに適応している。まずクーロン力吸着であり、理想的な絶縁媒体層に適している。高圧直流電圧を印加すると、電極に電界が発生し、ワーク裏面に逆の電荷が誘起され、逆の電荷によるクーロン力によって吸着が実現される。このメカニズムは均一な吸着力を提供し、ワークの変形を防止し、高い平面度を必要とするプロセスに適している。クーロン力の大きさは誘電率、印加電圧と吸着面積と正の相関を示し、誘電体層の厚さと負の相関を示した。2つ目はJohnson Rahbek（J−R）力吸着、主流の工業メカニズムであり、半導体誘電体層（弱いリーク電流を有する）のドーピングに適している。接触表面の微小間隙に電荷が蓄積され、微小電界が形成され、合力はJ−R力である。この機構は低い電圧（500〜800 V）を必要とし、より強い吸着力を発生させ、ヘリウム冷却の圧力を克服し、接触表面の微小粗さに適応することができる。3つ目は勾配力吸着であり、交互多電極配列の設計によく見られる。正負電極は不均一電界を形成し、ワーク両側の応力差は一方向合力を発生する。電極間隔と誘電体層厚を最適化することにより、吸着力を強化し、特殊な形状のワークに適用できるようにすることができる。
半導体エッチングプロセスを例に、全体の動作プロセスは3つのステップに分けられ、同時にワークの固定と温度制御を実現する。ステップ1：ワーク位置決め：ウエハをチャック誘電体層の表面に移し、組み立て位置に調整する。ステップ2：静電吸着－コントローラは電極に設定電圧を印加し（単極モードではワークの充電にプラズマ支援が必要で、双極モードではワークが直接分極）、クーロン力またはJ-R力により吸着を実現する。吸着力は、しっかりと固定されるように背面ヘリウム冷却圧力より大きくなければならない。ステップ3：処理と放出−処理中、誘電体層は熱を伝導し、ヘリウムガスを内蔵冷却システムと調和させることによってウエハ温度を調節する。処理後、電圧を遮断し、逆静電気除去電圧を印加して残留電荷を除去し、ワークの付着を回避し、その後ウェハ転送を行う。
非接触吸着原理に基づいて、ESC静電チャックは伝統的な機械的クランプによる傷や変形の問題、および超高真空環境下での真空吸着の失敗の問題を根本的に解決した。同時に、誘電体層の材料特性とマルチゾーン電極設計は吸着過程において同期して均一な温度制御を実現することができ、プラズマエッチング、イオン注入と薄膜堆積などのコア半導体プロセスの精度と安定性に対する厳しい要求を完璧に満たす。