中国粉体网讯 半导体制造过程中，经常需要固定和支撑硅片，为避免处理过程中出现移动和错位现象，在加工过程中，硅片必须被平稳放置在工艺设备中，传统的夹持技术已满足不了现有的工艺要求。随着静电吸附技术日趋成熟，一种基于静电吸盘式硅片夹持技术走进半导体设备制造领域。
硅片夹持方式
机械夹持
在早期的硅片加工中，习惯采用机械活动的夹钳来夹硅片，但夹钳会对硅片边缘造成损伤，还容易造成硅片翘曲，对其加工精度产生很大的影响，因此现在很少使用机械夹持。
石蜡粘结方法
此方法通常是将硅片固定在夹具的特定位置，再通过加热熔化粘结剂渗入到硅片与夹具之间，从而进行固定。为确保粘结剂的可靠性及硅片的固定精度，需要在之前对粘结剂进行熔化过滤以清除杂质。在整个夹持过程需要对石蜡进行加热、粘结、剥离及清洁，效率很低，同时粘结剂会对硅片的清洁度造成较大的影响，并且很难保证石蜡粘结层的均匀性且无气泡。
真空吸盘
真空吸盘最早是用来在平面磨床中夹持非金属工具的，其工作结构主要分为两个部分，即中间部分是多孔陶瓷，边缘部分是密封环。工作时利用多孔陶瓷上的小孔将硅片与陶瓷表面之间的空气抽出，使硅片与陶瓷表面实现低压，硅片由于空气压力被吸附在吸盘表面，从而固定硅片。加工结束后，内部的等离子水会从陶瓷孔内流出，等离子水可防止硅片粘附在陶瓷表面，同时还可以对硅片及陶瓷表面进行清洗。
虽然真空吸盘在精密磨削加工中应用广泛，但其有两个缺点，其一是当硅片被真空吸盘吸附在吸盘表面时，硅片会因为空气压力导致变形，加工后硅片会发生反弹，导致切割好的表面呈波纹状，表面平整度下降，影响加工精度；其二是无法满足特殊的加工环境，比如硅片在化学气相沉积时需要在真空环境下进行，而真空吸盘在真空环境下无法工作。
静电吸盘
静电吸盘是通过吸附作用来固定硅片的，其优点在于吸附作用均匀分布于硅片表面，硅片不会发生翘曲变形；吸附作用力持续稳定，可以保证硅片的加工精度。此外，静电吸盘对硅片污染小，对硅片无伤，最重要的一点是它可以在真空环境下工作。目前，静电吸盘广泛应用于集成电路制造工艺中，特别是刻蚀、PVD、CVD等核心工艺中。
静电吸盘的主体材料
静电吸盘按照主体材料材质划分，可分为氧化铝和氮化铝（一般应用于静电吸盘加热器）两大类；按照静电吸盘力学模型来划分，可分为库伦（电介质）和迥斯热背（J-R）两大类。其中电介质类静电吸盘的材料可以由纯氧化铝、氮化铝、氧化硅等；迥斯热背类静电吸盘的材料可以由氧化铝、氮化铝、氧化硅等材料掺杂适量的金属粉末混凝烧结而成。
目前普遍的静电吸盘技术主要是以氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷作为主体材料。陶瓷材料具有良好的导热性，耐磨性及高硬度且对比金属材料在电绝缘方面有着先天的优势。
氧化铝静电吸盘
氧化铝是目前最常见的静电吸盘主体材料，它在电绝缘方面相比于金属材料有着先天优势；与PU材质相比，氧化铝陶瓷则耐磨耗不掉屑。采用高纯氧化铝做静电吸盘可以减少金属污染物，在卤素气体等离子环境下有着优异的耐久性。
氧化铝静电吸盘，来源：NTK
因应用尺寸较大，使用的氧化铝粉应有各方向收缩稳定的材料配方并与金属接着力好，以及易加工性。此外，氧化铝静电吸盘使用特有的等离子纳米喷涂制备工艺，可形成致密的绝缘层，相比于利用共烧技术生成的静电吸盘，具有一定的价格优势；与一般的薄膜类型相比，其耐用性能更甚一筹。
氮化铝静电吸盘
对于普通的硅晶圆加工，高纯氧化铝或蓝宝石可以满足要求，但若用在碳化硅晶圆加工，导热性就有所不足了，必须要用氮化铝才能达到要求，近年来应用也逐渐扩大。
氮化铝静电吸盘，来源：NTK
在半导体加工中，对硅片的散热工作相当重要，如果无法保证硅片表面的均温，则在硅片的加工过程中将无法确保加工的均匀性，加工精度也会受到影响。使用氮化铝做主材料可以通过控制其体积电阻率，获得大范围的温度域和充分的吸附力，静电吸盘可通过自由度高的加热器设计可以实现良好的温度均匀性；氮化铝通过一体共烧成型，不会出现因电极的劣化造成历时变化，最大限度的保障产品质量；在等离子卤素真空气氛环境下能持久运行，以承受半导体及微电子最苛刻的制程环境，还可提供稳定的吸附力和温度控制。
据闻，国外已成为氮化铝陶瓷在半导体领域应用的主要市场，目前芯片大厂所用的半导体加工设备上的氮化铝静电吸盘，大部分来自于NTK。
静电吸盘市场规模及竞争格局
根据QYResearch的数据，2021年全球静电吸盘市场销售额为17.14亿美元，预计2028年将达到24.12亿美元，2022-2028年复合增长率为5.06%。从销量上看，2021年全球静电吸盘销量为5.54万件，预计2028年将达到7.99万件。
来源：QYResearch，中原证券
2021年，中国静电吸盘市场规模达到21.12亿元，Global Info Research预计2028年将达到34.81亿元，2022-2028年复合增长率为7.29%。
来源：Global Info Research，民生证券研究院
全球静电吸盘市场高度垄断，由日本和美国企业主导，集中度较高，全球前五大制造商市占率超过80%。主要厂商包括美国Applied Materials、美国Lam Research、日本SHINKO、日本TOTO、日本NTK等公司，其中Applied Materials和Lam为自己的半导体设备配套生产静电吸盘，它们将生产的刻蚀、PVD、CVD等设备配套静电吸盘一起销售给晶圆厂，由于静电吸盘属于消耗品，使用寿命一般不超过两年，因此静电吸盘具有较大的替换市场。
来源：Global Info Research，民生证券研究院
中国在半导体静电吸盘领域已经有了一定的技术突破，中国大陆企业北京华卓精科科技有限公司、广东海拓创新精密设备科技有限公司已经实现商业化生产，浙江新纳陶瓷新材有限公司自主研发的半导体刻蚀设备用大尺寸氧化铝陶瓷静电吸盘被浙江经济和信息化厅认定为浙江省首台（套）产品。另外，新纳科技还募资3.41亿元用于公司氧化铝陶瓷基板的生产和静电吸盘的制造；中国台湾公司CALITECH在静电吸盘也有一定的突破。
参考来源：
牛晨旭：J-R型氮化铝陶瓷静电吸盘的设计与制造
半导体设备零部件行业研究：赛道坡长垒高，国产替代正当时.中原证券
常天赐：半导体零部件（3）-静电吸盘.行业研究笔记
NGK/NTK官网产品资料、海拓创新官网产品资料、中国粉体网
（中国粉体网编辑整理/空青）
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