中国粉体网讯 众所周知，半导体行业是典型的重资产、高投入行业，主要原因之一就在于“天价”的设备。半导体设备企业的生产过程主要为组装生产，其成本构成中，80%-90%为直接材料，这其中绝大多数为零部件。
这些半导体零部件有一个显著特点，那就是：贵。
动辄几万、几十万的零部件简直稀松平常，甚至上百万的也有。例如静电卡盘，最近有业内人士分享了购买国外静电卡盘的切身经历：
“50万元，比一台宝马5系还贵！”
“250万一个，还得求着人家卖！”
有的甚至180多万元外加100万元关税......
而国内目前只能提供中低端的静电卡盘，即便中低端价格也得几十万元每套，高端的只能从国外进口。
那么，静电卡盘到底是什么，为何这么贵？
01.静电卡盘是什么？
在半导体制程中有着数百道的工艺步骤，如等离子体浸没、离子掺杂、离子注入、物理气相沉积、化学气相沉积等，硅片需要在这些工艺设备中来回的传递运输进行加工检测。
静电卡盘就是传递运输硅片的夹持工具。
它是利用静电吸附原理将待加工晶片吸附在其表面并且可以通过背吹气体来控制晶片表面温度的设备。
静电卡盘由于避免了传统机械卡盘在使用过程中由于压力、碰撞等机械原因对晶片造成不可修复的损伤，减少了颗粒污染，增大了晶片的有效加工面积，克服了真空卡盘不可以应用于低压环境的缺陷，所以它已经取代了传统的机械卡盘与真空卡盘成为半导体装备中非常重要的通用零部件。
在半导体制造中，为了保证制造质量，必须确保硅片在工艺设备之间的传输过程中保持绝对的平稳，因此，静电卡盘在半导体制程中是十分关键的零部件。
即便再贵，也得买。
02.静电卡盘为何这么贵？
静电卡盘为何这么贵，一个字：难！
静电卡盘又称静电吸盘，其基本功能是对晶片提供静电吸附力传输晶片，但其细节性的要求多且严格。
图片来源：海拓创新
在性能要求上，为满足在高真空等离子体或特气环境中起到对晶圆的夹持和温度控制等作用的需要，需加入其他导电物质使得静电卡盘总体电阻率满足功能性要求，还需在较低的烧结温度下实现纳米级陶瓷粉体快速致密化，才能制备出致密性高、晶体结构稳定、体电阻率分布均匀且符合静电卡盘使用特性的专用陶瓷材料，静电卡盘表面处理后还要达到0.01微米左右的涂层。因此，静电卡盘的制造需要对材料的导热性，耐磨性及硬度指标非常了解，对精密机加工和表面处理技术要求也很高。
高要求也意味着静电卡盘制造难度相当大。接下来从几个方面聊一下静电卡盘的制造难点到底在哪里。
03.复杂的结构设计
静电卡盘的主体结构由三部分组成：电介质吸附层、电极层、基底层，三部分都以层状结构叠合在静电卡盘内，自表层到底座依次为电介质吸附层、电极层和基底层。
三层型静电卡盘模型
静电卡盘的结构类似三明治，但它可比三明治复杂多了。
基座方面，作为静电卡盘的主体结构，基座部分主要承担着散热与固定的作用。基座层一般为陶瓷材料制成，需保证其良好的导热性与硬度。一般位于静电卡盘最下部作为静电卡盘与设备的连接部分，并可以将硅片加工产生的热量通过基座层导出。同时内含电极柱保证电极层与外部电压的导通。
电极层方面，电极层一般位于基底与吸附层中间，厚度一般为数微米到数十微米，材料一般为金属，通过电极柱与外部电压导通获得高压作用于吸附层。据清华大学潘伟教授介绍，有一些静电卡盘需要有加热功能，这个内部加热电极层的设计也非常有挑战性。
吸附层方面，虽然厚度一般只有数十微米，但却是静电卡盘中最重要的部分。其内含可以自由移动的导电粒子，具有有限电阻，一般采用陶瓷材料中少量掺杂调节电阻率至所需范围。吸附层上一般还有凸点及沟道等辅助结构，具有散热与排气等作用。其表面处理后需要达到0.01微米左右的涂层，才能确保卡盘的稳定性和耐用性。
重点是，静电卡盘的设计往往还需要考虑到其应用场景的具体需求，如分区温控温区数量的增加，以满足更高精度的加工需求。现代静电卡盘已有超过100温区的产品被研发并投入实际应用。
04.制造技术难度高
静电卡盘的制造涉及两个重要环节，原材料选择与烧结。
原材料
（1）基底层材料
一般基底层选择陶瓷材料作为其制造材料，通常选择氧化铝或氮化铝。氮化铝陶瓷是被工业界普遍看好的一种新型材料，它仅具有着优良的综合机械性能，同时有着极高的导热性能，因此高端的静电卡盘要选择氮化铝作为基底层。而目前，无论是成本还是技术难度，高纯度氮化铝粉体的制备都远高于氧化铝。
（2）电极层材料
电极层材料方面，导电银浆由于具有非常优异的常温导电性、硬度、附着性及耐弯折性较为常用。
（3）吸附层材料
吸附层作为静电卡盘中最重要的功能结构层，其材料的选择对其功能性有很大的影响，根据对静电卡盘原理的分析，吸附层材料体电阻率需要控制在108~109Ω·cm才能满足其功能所需。同时吸附层需要满足高热导率、高耐磨性、良好的电性能及与硅片匹配的热膨胀系数。故选择吸附层主体材料为氮化铝陶瓷，并通过掺杂调阻来使其体电阻率满足功能所需。
烧结
在确定了氮化铝陶瓷静电卡盘的三层式总体结构后，其制造方式中也存在两种不同的方案。
（1）整体式烧结
对静电卡盘进行整体烧结，将三层结构一同烧结制造。其优点在于可以减少工艺步骤并使三层结构结合更加牢靠；但缺点在于烧结工艺难度提高，因三层分别采用不同材料烧结工艺条件有很大差别，若要同时烧结则存在很高难度。
整体烧结流程图
（2）分层式烧结
对静电卡盘进行分层烧结，之后将各层封装连接并确保各层功能性。其优点在于对每一层都分别加工，使各层加工条件不受其他层限制，可以保证各层加工质量，但缺点在于工艺步骤增多，需要再加工好各层之后增加封装连接工艺且要保证连接后不影响各层的工作性能。
05.温度控制很棘手
晶片的温度大小及其均匀性直接决定最终的工艺品质及良率，因此提高静电卡盘对晶片温度的控制能力对于提高成品率、改善工艺质量以及提高工艺效率非常重要。
在刻蚀、物理气相沉积、化学气相沉积等IC制造工艺中，不同的加工工艺对晶片的温度要求不一样，例如，典型的PVD涂层加工温度在250-450℃之间，但在有些情况下根据应用领域和涂层的质量，PVD涂层温度低于70℃或高于600℃。
图片来源：NTK
这就要求静电卡盘可以实时调节晶片的温度以适应不同工艺的需求。静电卡盘主要通过背吹气体以及内部的冷却水道对晶片进行温度控制，通过调节背吹气体的压力可以提高晶片的散热效率从而有效降低晶片温度，而背吹气体的压力则会导致晶片被顶起，导致工艺无法进行，此时则需要静电卡盘利用静电吸附机理将晶片固定在其表面，因此静电吸附力大小指标间接影响晶片的温度控制。静电吸附力的大小需要控制在一定的范围内，太小则会导致晶片吸附不牢容易被背吹气体吹起，过大了则会导致晶片产生变形，破坏晶片结构同时影响脱附。
小结
除了设计、原材料选择及制造、温度设计等方面，静电卡盘的制备还有大量的技术难点，例如，静电卡盘要求结构非常精密，这就对高精度加工技术带来很大的考验。
总之，静电卡盘的制造难度是相当大的。当前静电卡盘生产主要集中在日本、美国，欧洲也有一部分公司在制造各种静电卡盘。他们的技术相对比较成熟一些，同时他们现在也在不断地研发一些性能更好的静电卡盘。
我国静电卡盘行业发展时间较短，尚处于起步阶段，但也有不少企业实现阶段性成果，如华卓精科、海拓创新、君原电子、珂玛材料等，但距离国外先进水平还有一定的差距。
当前来看，高端静电卡盘的国产化替代仍然任重道远，但前途光明。
参考来源：
[1]牛晨旭.J-R型氮化铝陶瓷静电卡盘的设计与制造
[2]罗钱.氮化铝陶瓷电性能调控及J-R型静电卡盘的制备研究
[3]王兴阔.基于IC装备中的静电卡盘静电力仿真及实验研究
[4]中国粉体网
（中国粉体网/山川）
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