眾所周知，半導體行業是典型的重資產、高投入行業，主要原因之一就在于“天價”的設備。半導體設備企業的生產過程主要為組裝生產，其成本構成中，80%-90%為直接材料，這其中絕大多數為零部件。

這些半導體零部件有一個顯著特點，那就是：貴。

動輒幾萬、幾十萬的零部件簡直稀松平常，甚至上百萬的也有。例如靜電卡盤，最近有業內人士分享了購買國外靜電卡盤的切身經歷：

“50萬元，比一臺寶馬5系還貴！”

“250萬一個，還得求著人家賣！”

有的甚至180多萬元外加100萬元關稅......

而國內目前只能提供中低端的靜電卡盤，即便中低端價格也得幾十萬元每套，高端的只能從國外進口。

那么，靜電卡盤到底是什么，為何這么貴？

靜電卡盤是什么？

在半導體制程中有著數百道的工藝步驟，如等離子體浸沒、離子摻雜、離子注入、物理氣相沉積、化學氣相沉積等，硅片需要在這些工藝設備中來回的傳遞運輸進行加工檢測。

靜電卡盤就是傳遞運輸硅片的夾持工具。

它是利用靜電吸附原理將待加工晶片吸附在其表面并且可以通過背吹氣體來控制晶片表面溫度的設備。

靜電卡盤由于避免了傳統機械卡盤在使用過程中由于壓力、碰撞等機械原因對晶片造成不可修復的損傷，減少了顆粒污染，增大了晶片的有效加工面積，克服了真空卡盤不可以應用于低壓環境的缺陷，所以它已經取代了傳統的機械卡盤與真空卡盤成為半導體裝備中非常重要的通用零部件。

在半導體制造中，為了保證制造質量，必須確保硅片在工藝設備之間的傳輸過程中保持絕對的平穩，因此，靜電卡盤在半導體制程中是十分關鍵的零部件。

即便再貴，也得買。

靜電卡盤為何這么貴？

靜電卡盤為何這么貴，一個字：難！

靜電卡盤又稱靜電吸盤，其基本功能是對晶片提供靜電吸附力傳輸晶片，但其細節性的要求多且嚴格。

圖片來源：海拓創新

在性能要求上，為滿足在高真空等離子體或特氣環境中起到對晶圓的夾持和溫度控制等作用的需要，需加入其他導電物質使得靜電卡盤總體電阻率滿足功能性要求，還需在較低的燒結溫度下實現納米級陶瓷粉體快速致密化，才能制備出致密性高、晶體結構穩定、體電阻率分布均勻且符合靜電卡盤使用特性的專用陶瓷材料，靜電卡盤表面處理后還要達到0.01微米左右的涂層。因此，靜電卡盤的制造需要對材料的導熱性，耐磨性及硬度指標非常了解，對精密機加工和表面處理技術要求也很高。

高要求也意味著靜電卡盤制造難度相當大。接下來從幾個方面聊一下靜電卡盤的制造難點到底在哪里。

復雜的結構設計

靜電卡盤的主體結構由三部分組成：電介質吸附層、電極層、基底層，三部分都以層狀結構疊合在靜電卡盤內，自表層到底座依次為電介質吸附層、電極層和基底層。

三層型靜電卡盤模型

靜電卡盤的結構類似三明治，但它可比三明治復雜多了。

基座方面，作為靜電卡盤的主體結構，基座部分主要承擔著散熱與固定的作用。基座層一般為陶瓷材料制成，需保證其良好的導熱性與硬度。一般位于靜電卡盤最下部作為靜電卡盤與設備的連接部分，并可以將硅片加工產生的熱量通過基座層導出。同時內含電極柱保證電極層與外部電壓的導通。

電極層方面，電極層一般位于基底與吸附層中間，厚度一般為數微米到數十微米，材料一般為金屬，通過電極柱與外部電壓導通獲得高壓作用于吸附層。據清華大學潘偉教授介紹，有一些靜電卡盤需要有加熱功能，這個內部加熱電極層的設計也非常有挑戰性。

吸附層方面，雖然厚度一般只有數十微米，但卻是靜電卡盤中最重要的部分。其內含可以自由移動的導電粒子，具有有限電阻，一般采用陶瓷材料中少量摻雜調節電阻率至所需范圍。吸附層上一般還有凸點及溝道等輔助結構，具有散熱與排氣等作用。其表面處理后需要達到0.01微米左右的涂層，才能確保卡盤的穩定性和耐用性。

重點是，靜電卡盤的設計往往還需要考慮到其應用場景的具體需求，如分區溫控溫區數量的增加，以滿足更高精度的加工需求。現代靜電卡盤已有超過100溫區的產品被研發并投入實際應用?。

制造技術難度高

靜電卡盤的制造涉及兩個重要環節，原材料選擇與燒結。

原材料

（1）基底層材料

一般基底層選擇陶瓷材料作為其制造材料，通常選擇氧化鋁或氮化鋁。氮化鋁陶瓷是被工業界普遍看好的一種新型材料，它僅具有著優良的綜合機械性能，同時有著極高的導熱性能，因此高端的靜電卡盤要選擇氮化鋁作為基底層。而目前，無論是成本還是技術難度，高純度氮化鋁粉體的制備都遠高于氧化鋁。

（2）電極層材料

電極層材料方面，導電銀漿由于具有非常優異的常溫導電性、硬度、附著性及耐彎折性較為常用。

（3）吸附層材料

吸附層作為靜電卡盤中最重要的功能結構層，其材料的選擇對其功能性有很大的影響，根據對靜電卡盤原理的分析，吸附層材料體電阻率需要控制在108~109Ω·cm才能滿足其功能所需。同時吸附層需要滿足高熱導率、高耐磨性、良好的電性能及與硅片匹配的熱膨脹系數。故選擇吸附層主體材料為氮化鋁陶瓷，并通過摻雜調阻來使其體電阻率滿足功能所需。

燒結

在確定了氮化鋁陶瓷靜電卡盤的三層式總體結構后，其制造方式中也存在兩種不同的方案。

（1）整體式燒結

對靜電卡盤進行整體燒結，將三層結構一同燒結制造。其優點在于可以減少工藝步驟并使三層結構結合更加牢靠；但缺點在于燒結工藝難度提高，因三層分別采用不同材料燒結工藝條件有很大差別，若要同時燒結則存在很高難度。

整體燒結流程圖

（2）分層式燒結

對靜電卡盤進行分層燒結，之后將各層封裝連接并確保各層功能性。其優點在于對每一層都分別加工，使各層加工條件不受其他層限制，可以保證各層加工質量，但缺點在于工藝步驟增多，需要再加工好各層之后增加封裝連接工藝且要保證連接后不影響各層的工作性能。

溫度控制很棘手

晶片的溫度大小及其均勻性直接決定最終的工藝品質及良率，因此提高靜電卡盤對晶片溫度的控制能力對于提高成品率、改善工藝質量以及提高工藝效率非常重要。

在刻蝕、物理氣相沉積、化學氣相沉積等IC制造工藝中，不同的加工工藝對晶片的溫度要求不一樣，例如，典型的PVD涂層加工溫度在250-450℃之間，但在有些情況下根據應用領域和涂層的質量，PVD涂層溫度低于70℃或高于600℃。

圖片來源：NTK

這就要求靜電卡盤可以實時調節晶片的溫度以適應不同工藝的需求。靜電卡盤主要通過背吹氣體以及內部的冷卻水道對晶片進行溫度控制，通過調節背吹氣體的壓力可以提高晶片的散熱效率從而有效降低晶片溫度，而背吹氣體的壓力則會導致晶片被頂起，導致工藝無法進行，此時則需要靜電卡盤利用靜電吸附機理將晶片固定在其表面，因此靜電吸附力大小指標間接影響晶片的溫度控制。靜電吸附力的大小需要控制在一定的范圍內，太小則會導致晶片吸附不牢容易被背吹氣體吹起，過大了則會導致晶片產生變形，破壞晶片結構同時影響脫附。

小結

除了設計、原材料選擇及制造、溫度設計等方面，靜電卡盤的制備還有大量的技術難點，例如，靜電卡盤要求結構非常精密，這就對高精度加工技術帶來很大的考驗。

總之，靜電卡盤的制造難度是相當大的。當前靜電卡盤生產主要集中在日本、美國，歐洲也有一部分公司在制造各種靜電卡盤。他們的技術相對比較成熟一些，同時他們現在也在不斷地研發一些性能更好的靜電卡盤。

我國靜電卡盤行業發展時間較短，尚處于起步階段，但也有不少企業實現階段性成果，如華卓精科、海拓創新、君原電子、珂瑪材料等，但距離國外先進水平還有一定的差距。

當前來看，高端靜電卡盤的國產化替代仍然任重道遠，但前途光明。

參考來源：

[1]牛晨旭.J-R型氮化鋁陶瓷靜電卡盤的設計與制造

[2]羅錢.氮化鋁陶瓷電性能調控及J-R型靜電卡盤的制備研究

[3]王興闊.基于IC裝備中的靜電卡盤靜電力仿真及實驗研究

[4]中國粉體網

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