中國(guó)粉體網(wǎng)訊 在半導(dǎo)體制造中，需要要對(duì)晶圓進(jìn)行各種工藝處理，例如薄膜沉積、刻蝕等。在這些環(huán)節(jié)中，需要將晶圓加熱到一定溫度，并且對(duì)溫度有著嚴(yán)格的要求，因?yàn)闇囟鹊木鶆蛐詫?duì)產(chǎn)品良率有著非常重要的影響，加熱部件必不可少。
除了確保晶圓溫度的穩(wěn)定性和均勻性，加熱器還要面臨可怕的真空、等離子體及化學(xué)氣體共存的工作環(huán)境，于是，陶瓷加熱器成為了必選項(xiàng)。
總之，陶瓷加熱器是直接應(yīng)用于工藝腔體中，與晶圓直接接觸，不僅承載晶圓，還確保晶圓獲得穩(wěn)定、均勻的工藝溫度的部件，是半導(dǎo)體薄膜沉積設(shè)備中的關(guān)鍵部件！
結(jié)構(gòu)有講究
陶瓷加熱器包括承載晶圓的陶瓷基座，以及背面對(duì)其提供支承圓筒狀的支持體。在陶瓷基座的內(nèi)部或表面，除了設(shè)置有用于加熱的電阻元件（加熱層），還有射頻電極（射頻層）。為了能夠?qū)崿F(xiàn)快速的升溫和降溫，陶瓷基座的厚度要薄，但過(guò)薄也會(huì)使得剛性下降。
加熱器的支持體一般采用與基座熱膨脹系數(shù)相近的陶瓷材料。加熱器采用軸（Shaft）接合底部的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，能保護(hù)端子和導(dǎo)線不受等離子體以及腐蝕性化學(xué)氣體的影響。支持體內(nèi)設(shè)有熱傳導(dǎo)氣體進(jìn)出管道，保證加熱器溫度均勻�；c支持體之間用接合層進(jìn)行化學(xué)接合。
在加熱器基座內(nèi)，埋設(shè)有電阻加熱元件。它是通過(guò)采用導(dǎo)體漿料（鎢、鉬或鉭）的絲網(wǎng)印刷法來(lái)形成漩渦形或同心圓形狀電路圖案，當(dāng)然也可使用金屬線、金屬網(wǎng)、金屬箔等。在使用絲網(wǎng)印刷法時(shí)，準(zhǔn)備相同形狀的兩個(gè)陶瓷板，在其中一方表面涂布導(dǎo)體漿料。然后，對(duì)其進(jìn)行燒結(jié)形成電阻發(fā)熱體，將另一方陶瓷板夾著該電阻發(fā)熱體進(jìn)行重合，由此制作埋設(shè)在基座內(nèi)的電阻元件。
選材很關(guān)鍵
陶瓷加熱器的陶瓷基體的材質(zhì)可使用氮化鋁(AlN)、氮化硅(Si3N4)、氧化鋁(Al2O3)等陶瓷，其中，氮化鋁陶瓷是陶瓷加熱器的最優(yōu)選擇。與其它材料相比，氮化鋁陶瓷有如下特點(diǎn)：
（1）導(dǎo)熱性能好，氮化鋁材料的理論熱導(dǎo)率可達(dá)到320W·m-1·K-1；
（2）相較于其他常用陶瓷材料（尤其是氧化鋁）其熱膨脹系數(shù)（293～773K，4.18×10-6K-1）與半導(dǎo)體硅材料相匹配；
（3）機(jī)械性能好，具有優(yōu)良的耐磨耗性能，綜合機(jī)械性能優(yōu)于氧化鈹，與氧化鋁相當(dāng)；
（4）綜合電性能優(yōu)異，電絕緣性優(yōu)良（體電阻率可達(dá)1013Ω·cm）同時(shí)介質(zhì)損耗低（介電常數(shù)1MHz下約為8.0）；
（5）無(wú)毒害，有利于環(huán)保。
因此，氮化鋁不僅具有高導(dǎo)熱性，能夠在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速升溫和降溫，還具有良好的電絕緣性和機(jī)械強(qiáng)度，確保了加熱器的穩(wěn)定性和可靠性。此外，氮化鋁的熱膨脹系數(shù)與硅相近，這有助于減少熱應(yīng)力對(duì)晶圓的影響，提高工藝良率。
國(guó)產(chǎn)替代正當(dāng)時(shí)，干！
根據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Business Research Insights研究報(bào)告， 2022年全球氮化鋁陶瓷加熱器市場(chǎng)規(guī)模為3300萬(wàn)美元，預(yù)計(jì)到2031年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到7852.9萬(wàn)美元，預(yù)測(cè)期間的復(fù)合年增長(zhǎng)率為10%。
目前，全球半導(dǎo)體用氮化鋁陶瓷加熱器的主要生產(chǎn)商包括NGK insulator、MiCo Ceramics、Boboo Hi-Tech、AMAT、Sumitomo Electric、CoorsTek和Semixicon LLC等。這些公司在技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)品創(chuàng)新和市場(chǎng)份額方面占據(jù)領(lǐng)先地位。例如陶瓷加熱器確保晶圓表面溫度在±1.0% 以內(nèi)波動(dòng)，日本礙子（NGK insulator） 生產(chǎn)的加熱器溫度波動(dòng)小于 0.1%，屬于優(yōu)異指標(biāo)。
我國(guó)陶瓷加熱器的自主水平及國(guó)產(chǎn)化率較低，與靜電吸盤等其它半導(dǎo)體零部件、關(guān)鍵原材料的處境一致，國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的僅珂瑪科技、中瓷電子等極個(gè)別企業(yè)，是典型的“卡脖子”技術(shù)。
作為半導(dǎo)體制程中的關(guān)鍵零部件，持續(xù)推進(jìn)陶瓷加熱器的國(guó)產(chǎn)化替代刻不容緩。
參考來(lái)源：中國(guó)粉體網(wǎng)、活性釬焊、微納研究院等。
（中國(guó)粉體網(wǎng)/山川）
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