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眾所周知，半導(dǎo)體行業(yè)是典型的重資產(chǎn)、高投入行業(yè)，主要原因之一就在于“天價(jià)”的設(shè)備。半導(dǎo)體設(shè)備企業(yè)的生產(chǎn)過程主要為組裝生產(chǎn)，其成本構(gòu)成中，80%-90%為直接材料，這其中絕大多數(shù)為零部件。

這些半導(dǎo)體零部件有一個(gè)顯著特點(diǎn)，那就是：貴。

動(dòng)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(yè)內(nèi)人士分享了購買國外靜電卡盤的切身經(jīng)歷：

“50萬元，比一臺(tái)寶馬5系還貴！”

“250萬一個(gè)，還得求著人家賣！”

有的甚至180多萬元外加100萬元關(guān)稅......

而國內(nèi)目前只能提供中低端的靜電卡盤，即便中低端價(jià)格也得幾十萬元每套，高端的只能從國外進(jìn)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(dǎo)體制程中有著數(shù)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(xué)氣相沉積等，硅片需要在這些工藝設(shè)備中來回的傳遞運(yùn)輸進(jìn)行加工檢測。

靜電卡盤就是傳遞運(yùn)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(shè)備。

靜電卡盤由于避免了傳統(tǒng)機(jī)械卡盤在使用過程中由于壓力、碰撞等機(jī)械原因?qū)斐刹豢尚迯?fù)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(yīng)用于低壓環(huán)境的缺陷，所以它已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的機(jī)械卡盤與真空卡盤成為半導(dǎo)體裝備中非常重要的通用零部件。

在半導(dǎo)體制造中，為了保證制造質(zhì)量，必須確保硅片在工藝設(shè)備之間的傳輸過程中保持絕對(duì)的平穩(wěn)，因此，靜電卡盤在半導(dǎo)體制程中是十分關(guān)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(gè)字：難！

靜電卡盤又稱靜電吸盤，其基本功能是對(duì)晶片提供靜電吸附力傳輸晶片，但其細(xì)節(jié)性的要求多且嚴(yán)格。

圖片來源：海拓創(chuàng)新

在性能要求上，為滿足在高真空等離子體或特氣環(huán)境中起到對(duì)晶圓的夾持和溫度控制等作用的需要，需加入其他導(dǎo)電物質(zhì)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(jié)溫度下實(shí)現(xiàn)納米級(jí)陶瓷粉體快速致密化，才能制備出致密性高、晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(dá)到0.01微米左右的涂層。因此，靜電卡盤的制造需要對(duì)材料的導(dǎo)熱性，耐磨性及硬度指標(biāo)非常了解，對(duì)精密機(jī)加工和表面處理技術(shù)要求也很高。

高要求也意味著靜電卡盤制造難度相當(dāng)大。接下來從幾個(gè)方面聊一下靜電卡盤的制造難點(diǎn)到底在哪里。

靜電卡盤的主體結(jié)構(gòu)由三部分組成：電介質(zhì)吸附層、電極層、基底層，三部分都以層狀結(jié)構(gòu)疊合在靜電卡盤內(nèi)，自表層到底座依次為電介質(zhì)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(jié)構(gòu)類似三明治，但它可比三明治復(fù)雜多了。

基座方面，作為靜電卡盤的主體結(jié)構(gòu)，基座部分主要承擔(dān)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(dǎo)熱性與硬度。一般位于靜電卡盤最下部作為靜電卡盤與設(shè)備的連接部分，并可以將硅片加工產(chǎn)生的熱量通過基座層導(dǎo)出。同時(shí)內(nèi)含電極柱保證電極層與外部電壓的導(dǎo)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(shù)微米到數(shù)十微米，材料一般為金屬，通過電極柱與外部電壓導(dǎo)通獲得高壓作用于吸附層。據(jù)清華大學(xué)潘偉教授介紹，有一些靜電卡盤需要有加熱功能，這個(gè)內(nèi)部加熱電極層的設(shè)計(jì)也非常有挑戰(zhàn)性。

吸附層方面，雖然厚度一般只有數(shù)十微米，但卻是靜電卡盤中最重要的部分。其內(nèi)含可以自由移動(dòng)的導(dǎo)電粒子，具有有限電阻，一般采用陶瓷材料中少量摻雜調(diào)節(jié)電阻率至所需范圍。吸附層上一般還有凸點(diǎn)及溝道等輔助結(jié)構(gòu)，具有散熱與排氣等作用。其表面處理后需要達(dá)到0.01微米左右的涂層，才能確?？ūP的穩(wěn)定性和耐用性。

重點(diǎn)是，靜電卡盤的設(shè)計(jì)往往還需要考慮到其應(yīng)用場景的具體需求，如分區(qū)溫控溫區(qū)數(shù)量的增加，以滿足更高精度的加工需求?，F(xiàn)代靜電卡盤已有超過100溫區(qū)的產(chǎn)品被研發(fā)并投入實(shí)際應(yīng)用?。

靜電卡盤的制造涉及兩個(gè)重要環(huán)節(jié)，原材料選擇與燒結(jié)。

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(yè)界普遍看好的一種新型材料，它僅具有著優(yōu)良的綜合機(jī)械性能，同時(shí)有著極高的導(dǎo)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(shù)難度，高純度氮化鋁粉體的制備都遠(yuǎn)高于氧化鋁。

（2）電極層材料

電極層材料方面，導(dǎo)電銀漿由于具有非常優(yōu)異的常溫導(dǎo)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(jié)構(gòu)層，其材料的選擇對(duì)其功能性有很大的影響，根據(jù)對(duì)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(shí)吸附層需要滿足高熱導(dǎo)率、高耐磨性、良好的電性能及與硅片匹配的熱膨脹系數(shù)。故選擇吸附層主體材料為氮化鋁陶瓷，并通過摻雜調(diào)阻來使其體電阻率滿足功能所需。

燒結(jié)

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

（1）整體式燒結(jié)

對(duì)靜電卡盤進(jìn)行整體燒結(jié)，將三層結(jié)構(gòu)一同燒結(jié)制造。其優(yōu)點(diǎn)在于可以減少工藝步驟并使三層結(jié)構(gòu)結(jié)合更加牢靠；但缺點(diǎn)在于燒結(jié)工藝難度提高，因三層分別采用不同材料燒結(jié)工藝條件有很大差別，若要同時(shí)燒結(jié)則存在很高難度。

整體燒結(jié)流程圖

（2）分層式燒結(jié)

對(duì)靜電卡盤進(jìn)行分層燒結(jié)，之后將各層封裝連接并確保各層功能性。其優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)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(zhì)量，但缺點(diǎn)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。

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

在刻蝕、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積等IC制造工藝中，不同的加工工藝對(duì)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(jù)應(yīng)用領(lǐng)域和涂層的質(zhì)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(shí)時(shí)調(diào)節(jié)晶片的溫度以適應(yīng)不同工藝的需求。靜電卡盤主要通過背吹氣體以及內(nèi)部的冷卻水道對(duì)晶片進(jìn)行溫度控制，通過調(diào)節(jié)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(huì)導(dǎo)致晶片被頂起，導(dǎo)致工藝無法進(jìn)行，此時(shí)則需要靜電卡盤利用靜電吸附機(jī)理將晶片固定在其表面，因此靜電吸附力大小指標(biāo)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(nèi)，太小則會(huì)導(dǎo)致晶片吸附不牢容易被背吹氣體吹起，過大了則會(huì)導(dǎo)致晶片產(chǎn)生變形，破壞晶片結(jié)構(gòu)同時(shí)影響脫附。