中國粉體網(wǎng)訊  半導體制造過程中，經(jīng)常需要固定和支撐硅片，為避免處理過程中出現(xiàn)移動和錯位現(xiàn)象，在加工過程中，硅片必須被平穩(wěn)放置在工藝設備中，傳統(tǒng)的夾持技術(shù)已滿足不了現(xiàn)有的工藝要求。隨著靜電吸附技術(shù)日趨成熟，一種基于靜電吸盤式硅片夾持技術(shù)走進半導體設備制造領(lǐng)域。

硅片夾持方式

機械夾持

在早期的硅片加工中，習慣采用機械活動的夾鉗來夾硅片，但夾鉗會對硅片邊緣造成損傷，還容易造成硅片翹曲，對其加工精度產(chǎn)生很大的影響，因此現(xiàn)在很少使用機械夾持。

石蠟粘結(jié)方法

此方法通常是將硅片固定在夾具的特定位置，再通過加熱熔化粘結(jié)劑滲入到硅片與夾具之間，從而進行固定。為確保粘結(jié)劑的可靠性及硅片的固定精度，需要在之前對粘結(jié)劑進行熔化過濾以清除雜質(zhì)。在整個夾持過程需要對石蠟進行加熱、粘結(jié)、剝離及清潔，效率很低，同時粘結(jié)劑會對硅片的清潔度造成較大的影響，并且很難保證石蠟粘結(jié)層的均勻性且無氣泡。

真空吸盤

真空吸盤最早是用來在平面磨床中夾持非金屬工具的，其工作結(jié)構(gòu)主要分為兩個部分，即中間部分是多孔陶瓷，邊緣部分是密封環(huán)。工作時利用多孔陶瓷上的小孔將硅片與陶瓷表面之間的空氣抽出，使硅片與陶瓷表面實現(xiàn)低壓，硅片由于空氣壓力被吸附在吸盤表面，從而固定硅片。加工結(jié)束后，內(nèi)部的等離子水會從陶瓷孔內(nèi)流出，等離子水可防止硅片粘附在陶瓷表面，同時還可以對硅片及陶瓷表面進行清洗。

雖然真空吸盤在精密磨削加工中應用廣泛，但其有兩個缺點，其一是當硅片被真空吸盤吸附在吸盤表面時，硅片會因為空氣壓力導致變形，加工后硅片會發(fā)生反彈，導致切割好的表面呈波紋狀，表面平整度下降，影響加工精度；其二是無法滿足特殊的加工環(huán)境，比如硅片在化學氣相沉積時需要在真空環(huán)境下進行，而真空吸盤在真空環(huán)境下無法工作。

靜電吸盤

靜電吸盤是通過吸附作用來固定硅片的，其優(yōu)點在于吸附作用均勻分布于硅片表面，硅片不會發(fā)生翹曲變形；吸附作用力持續(xù)穩(wěn)定，可以保證硅片的加工精度。此外，靜電吸盤對硅片污染小，對硅片無傷，最重要的一點是它可以在真空環(huán)境下工作。目前，靜電吸盤廣泛應用于集成電路制造工藝中，特別是刻蝕、PVD、CVD等核心工藝中。

靜電吸盤的主體材料

靜電吸盤按照主體材料材質(zhì)劃分，可分為氧化鋁和氮化鋁（一般應用于靜電吸盤加熱器）兩大類；按照靜電吸盤力學模型來劃分，可分為庫倫（電介質(zhì)）和迥斯熱背（J-R）兩大類。其中電介質(zhì)類靜電吸盤的材料可以由純氧化鋁、氮化鋁、氧化硅等；迥斯熱背類靜電吸盤的材料可以由氧化鋁、氮化鋁、氧化硅等材料摻雜適量的金屬粉末混凝燒結(jié)而成。

目前普遍的靜電吸盤技術(shù)主要是以氧化鋁陶瓷或氮化鋁陶瓷作為主體材料。陶瓷材料具有良好的導熱性，耐磨性及高硬度且對比金屬材料在電絕緣方面有著先天的優(yōu)勢。

氧化鋁靜電吸盤

氧化鋁是目前最常見的靜電吸盤主體材料，它在電絕緣方面相比于金屬材料有著先天優(yōu)勢；與PU材質(zhì)相比，氧化鋁陶瓷則耐磨耗不掉屑。采用高純氧化鋁做靜電吸盤可以減少金屬污染物，在鹵素氣體等離子環(huán)境下有著優(yōu)異的耐久性。

氧化鋁靜電吸盤，來源：NTK

因應用尺寸較大，使用的氧化鋁粉應有各方向收縮穩(wěn)定的材料配方并與金屬接著力好，以及易加工性。此外，氧化鋁靜電吸盤使用特有的等離子納米噴涂制備工藝，可形成致密的絕緣層，相比于利用共燒技術(shù)生成的靜電吸盤，具有一定的價格優(yōu)勢；與一般的薄膜類型相比，其耐用性能更甚一籌。

氮化鋁靜電吸盤

對于普通的硅晶圓加工，高純氧化鋁或藍寶石可以滿足要求，但若用在碳化硅晶圓加工，導熱性就有所不足了，必須要用氮化鋁才能達到要求，近年來應用也逐漸擴大。

氮化鋁靜電吸盤，來源：NTK

在半導體加工中，對硅片的散熱工作相當重要，如果無法保證硅片表面的均溫，則在硅片的加工過程中將無法確保加工的均勻性，加工精度也會受到影響。使用氮化鋁做主材料可以通過控制其體積電阻率，獲得大范圍的溫度域和充分的吸附力，靜電吸盤可通過自由度高的加熱器設計可以實現(xiàn)良好的溫度均勻性；氮化鋁通過一體共燒成型，不會出現(xiàn)因電極的劣化造成歷時變化，最大限度的保障產(chǎn)品質(zhì)量；在等離子鹵素真空氣氛環(huán)境下能持久運行，以承受半導體及微電子最苛刻的制程環(huán)境，還可提供穩(wěn)定的吸附力和溫度控制。

據(jù)聞，國外已成為氮化鋁陶瓷在半導體領(lǐng)域應用的主要市場，目前芯片大廠所用的半導體加工設備上的氮化鋁靜電吸盤，大部分來自于NTK。

靜電吸盤市場規(guī)模及競爭格局

根據(jù)QYResearch的數(shù)據(jù)，2021年全球靜電吸盤市場銷售額為17.14億美元，預計2028年將達到24.12億美元，2022-2028年復合增長率為5.06%。從銷量上看，2021年全球靜電吸盤銷量為5.54萬件，預計2028年將達到7.99萬件。

來源：QYResearch，中原證券

2021年，中國靜電吸盤市場規(guī)模達到21.12億元，Global Info Research預計2028年將達到34.81億元，2022-2028年復合增長率為7.29%。

來源：Global Info Research，民生證券研究院

全球靜電吸盤市場高度壟斷，由日本和美國企業(yè)主導，集中度較高，全球前五大制造商市占率超過80%。主要廠商包括美國Applied Materials、美國Lam Research、日本SHINKO、日本TOTO、日本NTK等公司，其中Applied Materials和Lam為自己的半導體設備配套生產(chǎn)靜電吸盤，它們將生產(chǎn)的刻蝕、PVD、CVD等設備配套靜電吸盤一起銷售給晶圓廠，由于靜電吸盤屬于消耗品，使用壽命一般不超過兩年，因此靜電吸盤具有較大的替換市場。

來源：Global Info Research，民生證券研究院

中國在半導體靜電吸盤領(lǐng)域已經(jīng)有了一定的技術(shù)突破，中國大陸企業(yè)北京華卓精科科技有限公司、廣東海拓創(chuàng)新精密設備科技有限公司已經(jīng)實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，浙江新納陶瓷新材有限公司自主研發(fā)的半導體刻蝕設備用大尺寸氧化鋁陶瓷靜電吸盤被浙江經(jīng)濟和信息化廳認定為浙江省首臺（套）產(chǎn)品。另外，新納科技還募資3.41億元用于公司氧化鋁陶瓷基板的生產(chǎn)和靜電吸盤的制造；中國臺灣公司CALITECH在靜電吸盤也有一定的突破。

參考來源：

牛晨旭：J-R型氮化鋁陶瓷靜電吸盤的設計與制造

半導體設備零部件行業(yè)研究：賽道坡長壘高，國產(chǎn)替代正當時.中原證券

常天賜：半導體零部件（3）-靜電吸盤.行業(yè)研究筆記

NGK/NTK官網(wǎng)產(chǎn)品資料、海拓創(chuàng)新官網(wǎng)產(chǎn)品資料、中國粉體網(wǎng)

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）

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