中國粉體網訊 半導體制造過程中，經常需要固定和支撐硅片，為避免處理過程中出現移動和錯位現象，在加工過程中，硅片必須被平穩放置在工藝設備中，傳統的夾持技術已滿足不了現有的工藝要求。隨著靜電吸附技術日趨成熟，一種基于靜電吸盤式硅片夾持技術走進半導體設備制造領域。
硅片夾持方式
機械夾持
在早期的硅片加工中，習慣采用機械活動的夾鉗來夾硅片，但夾鉗會對硅片邊緣造成損傷，還容易造成硅片翹曲，對其加工精度產生很大的影響，因此現在很少使用機械夾持。
石蠟粘結方法
此方法通常是將硅片固定在夾具的特定位置，再通過加熱熔化粘結劑滲入到硅片與夾具之間，從而進行固定。為確保粘結劑的可靠性及硅片的固定精度，需要在之前對粘結劑進行熔化過濾以清除雜質。在整個夾持過程需要對石蠟進行加熱、粘結、剝離及清潔，效率很低，同時粘結劑會對硅片的清潔度造成較大的影響，并且很難保證石蠟粘結層的均勻性且無氣泡。
真空吸盤
真空吸盤最早是用來在平面磨床中夾持非金屬工具的，其工作結構主要分為兩個部分，即中間部分是多孔陶瓷，邊緣部分是密封環。工作時利用多孔陶瓷上的小孔將硅片與陶瓷表面之間的空氣抽出，使硅片與陶瓷表面實現低壓，硅片由于空氣壓力被吸附在吸盤表面，從而固定硅片。加工結束后，內部的等離子水會從陶瓷孔內流出，等離子水可防止硅片粘附在陶瓷表面，同時還可以對硅片及陶瓷表面進行清洗。
雖然真空吸盤在精密磨削加工中應用廣泛，但其有兩個缺點，其一是當硅片被真空吸盤吸附在吸盤表面時，硅片會因為空氣壓力導致變形，加工后硅片會發生反彈，導致切割好的表面呈波紋狀，表面平整度下降，影響加工精度；其二是無法滿足特殊的加工環境，比如硅片在化學氣相沉積時需要在真空環境下進行，而真空吸盤在真空環境下無法工作。
靜電吸盤
靜電吸盤是通過吸附作用來固定硅片的，其優點在于吸附作用均勻分布于硅片表面，硅片不會發生翹曲變形；吸附作用力持續穩定，可以保證硅片的加工精度。此外，靜電吸盤對硅片污染小，對硅片無傷，最重要的一點是它可以在真空環境下工作。目前，靜電吸盤廣泛應用于集成電路制造工藝中，特別是刻蝕、PVD、CVD等核心工藝中。
靜電吸盤的主體材料
靜電吸盤按照主體材料材質劃分，可分為氧化鋁和氮化鋁（一般應用于靜電吸盤加熱器）兩大類；按照靜電吸盤力學模型來劃分，可分為庫倫（電介質）和迥斯熱背（J-R）兩大類。其中電介質類靜電吸盤的材料可以由純氧化鋁、氮化鋁、氧化硅等；迥斯熱背類靜電吸盤的材料可以由氧化鋁、氮化鋁、氧化硅等材料摻雜適量的金屬粉末混凝燒結而成。
目前普遍的靜電吸盤技術主要是以氧化鋁陶瓷或氮化鋁陶瓷作為主體材料。陶瓷材料具有良好的導熱性，耐磨性及高硬度且對比金屬材料在電絕緣方面有著先天的優勢。
氧化鋁靜電吸盤
氧化鋁是目前最常見的靜電吸盤主體材料，它在電絕緣方面相比于金屬材料有著先天優勢；與PU材質相比，氧化鋁陶瓷則耐磨耗不掉屑。采用高純氧化鋁做靜電吸盤可以減少金屬污染物，在鹵素氣體等離子環境下有著優異的耐久性。
氧化鋁靜電吸盤，來源：NTK
因應用尺寸較大，使用的氧化鋁粉應有各方向收縮穩定的材料配方并與金屬接著力好，以及易加工性。此外，氧化鋁靜電吸盤使用特有的等離子納米噴涂制備工藝，可形成致密的絕緣層，相比于利用共燒技術生成的靜電吸盤，具有一定的價格優勢；與一般的薄膜類型相比，其耐用性能更甚一籌。
氮化鋁靜電吸盤
對于普通的硅晶圓加工，高純氧化鋁或藍寶石可以滿足要求，但若用在碳化硅晶圓加工，導熱性就有所不足了，必須要用氮化鋁才能達到要求，近年來應用也逐漸擴大。
氮化鋁靜電吸盤，來源：NTK
在半導體加工中，對硅片的散熱工作相當重要，如果無法保證硅片表面的均溫，則在硅片的加工過程中將無法確保加工的均勻性，加工精度也會受到影響。使用氮化鋁做主材料可以通過控制其體積電阻率，獲得大范圍的溫度域和充分的吸附力，靜電吸盤可通過自由度高的加熱器設計可以實現良好的溫度均勻性；氮化鋁通過一體共燒成型，不會出現因電極的劣化造成歷時變化，最大限度的保障產品質量；在等離子鹵素真空氣氛環境下能持久運行，以承受半導體及微電子最苛刻的制程環境，還可提供穩定的吸附力和溫度控制。
據聞，國外已成為氮化鋁陶瓷在半導體領域應用的主要市場，目前芯片大廠所用的半導體加工設備上的氮化鋁靜電吸盤，大部分來自于NTK。
靜電吸盤市場規模及競爭格局
根據QYResearch的數據，2021年全球靜電吸盤市場銷售額為17.14億美元，預計2028年將達到24.12億美元，2022-2028年復合增長率為5.06%。從銷量上看，2021年全球靜電吸盤銷量為5.54萬件，預計2028年將達到7.99萬件。
來源：QYResearch，中原證券
2021年，中國靜電吸盤市場規模達到21.12億元，Global Info Research預計2028年將達到34.81億元，2022-2028年復合增長率為7.29%。
來源：Global Info Research，民生證券研究院
全球靜電吸盤市場高度壟斷，由日本和美國企業主導，集中度較高，全球前五大制造商市占率超過80%。主要廠商包括美國Applied Materials、美國Lam Research、日本SHINKO、日本TOTO、日本NTK等公司，其中Applied Materials和Lam為自己的半導體設備配套生產靜電吸盤，它們將生產的刻蝕、PVD、CVD等設備配套靜電吸盤一起銷售給晶圓廠，由于靜電吸盤屬于消耗品，使用壽命一般不超過兩年，因此靜電吸盤具有較大的替換市場。
來源：Global Info Research，民生證券研究院
中國在半導體靜電吸盤領域已經有了一定的技術突破，中國大陸企業北京華卓精科科技有限公司、廣東海拓創新精密設備科技有限公司已經實現商業化生產，浙江新納陶瓷新材有限公司自主研發的半導體刻蝕設備用大尺寸氧化鋁陶瓷靜電吸盤被浙江經濟和信息化廳認定為浙江省首臺（套）產品。另外，新納科技還募資3.41億元用于公司氧化鋁陶瓷基板的生產和靜電吸盤的制造；中國臺灣公司CALITECH在靜電吸盤也有一定的突破。
參考來源：
牛晨旭：J-R型氮化鋁陶瓷靜電吸盤的設計與制造
半導體設備零部件行業研究：賽道坡長壘高，國產替代正當時.中原證券
常天賜：半導體零部件（3）-靜電吸盤.行業研究筆記
NGK/NTK官網產品資料、海拓創新官網產品資料、中國粉體網
（中國粉體網編輯整理/空青）
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