中國粉體網訊 在半導體制造中，需要要對晶圓進行各種工藝處理，例如薄膜沉積、刻蝕等。在這些環節中，需要將晶圓加熱到一定溫度，并且對溫度有著嚴格的要求，因為溫度的均勻性對產品良率有著非常重要的影響，加熱部件必不可少。
除了確保晶圓溫度的穩定性和均勻性，加熱器還要面臨可怕的真空、等離子體及化學氣體共存的工作環境，于是，陶瓷加熱器成為了必選項。
總之，陶瓷加熱器是直接應用于工藝腔體中，與晶圓直接接觸，不僅承載晶圓，還確保晶圓獲得穩定、均勻的工藝溫度的部件，是半導體薄膜沉積設備中的關鍵部件！
結構有講究
陶瓷加熱器包括承載晶圓的陶瓷基座，以及背面對其提供支承圓筒狀的支持體。在陶瓷基座的內部或表面，除了設置有用于加熱的電阻元件（加熱層），還有射頻電極（射頻層）。為了能夠實現快速的升溫和降溫，陶瓷基座的厚度要薄，但過薄也會使得剛性下降。
加熱器的支持體一般采用與基座熱膨脹系數相近的陶瓷材料。加熱器采用軸（Shaft）接合底部的獨特結構，能保護端子和導線不受等離子體以及腐蝕性化學氣體的影響。支持體內設有熱傳導氣體進出管道，保證加熱器溫度均勻。基座與支持體之間用接合層進行化學接合。
在加熱器基座內，埋設有電阻加熱元件。它是通過采用導體漿料（鎢、鉬或鉭）的絲網印刷法來形成漩渦形或同心圓形狀電路圖案，當然也可使用金屬線、金屬網、金屬箔等。在使用絲網印刷法時，準備相同形狀的兩個陶瓷板，在其中一方表面涂布導體漿料。然后，對其進行燒結形成電阻發熱體，將另一方陶瓷板夾著該電阻發熱體進行重合，由此制作埋設在基座內的電阻元件。
選材很關鍵
陶瓷加熱器的陶瓷基體的材質可使用氮化鋁(AlN)、氮化硅(Si3N4)、氧化鋁(Al2O3)等陶瓷，其中，氮化鋁陶瓷是陶瓷加熱器的最優選擇。與其它材料相比，氮化鋁陶瓷有如下特點：
（1）導熱性能好，氮化鋁材料的理論熱導率可達到320W·m-1·K-1；
（2）相較于其他常用陶瓷材料（尤其是氧化鋁）其熱膨脹系數（293～773K，4.18×10-6K-1）與半導體硅材料相匹配；
（3）機械性能好，具有優良的耐磨耗性能，綜合機械性能優于氧化鈹，與氧化鋁相當；
（4）綜合電性能優異，電絕緣性優良（體電阻率可達1013Ω·cm）同時介質損耗低（介電常數1MHz下約為8.0）；
（5）無毒害，有利于環保。
因此，氮化鋁不僅具有高導熱性，能夠在短時間內實現快速升溫和降溫，還具有良好的電絕緣性和機械強度，確保了加熱器的穩定性和可靠性。此外，氮化鋁的熱膨脹系數與硅相近，這有助于減少熱應力對晶圓的影響，提高工藝良率。
國產替代正當時，干！
根據市場研究機構Business Research Insights研究報告， 2022年全球氮化鋁陶瓷加熱器市場規模為3300萬美元，預計到2031年市場規模將達到7852.9萬美元，預測期間的復合年增長率為10%。
目前，全球半導體用氮化鋁陶瓷加熱器的主要生產商包括NGK insulator、MiCo Ceramics、Boboo Hi-Tech、AMAT、Sumitomo Electric、CoorsTek和Semixicon LLC等。這些公司在技術研發、產品創新和市場份額方面占據領先地位。例如陶瓷加熱器確保晶圓表面溫度在±1.0% 以內波動，日本礙子（NGK insulator） 生產的加熱器溫度波動小于 0.1%，屬于優異指標。
我國陶瓷加熱器的自主水平及國產化率較低，與靜電吸盤等其它半導體零部件、關鍵原材料的處境一致，國內實現量產的僅珂瑪科技、中瓷電子等極個別企業，是典型的“卡脖子”技術。
作為半導體制程中的關鍵零部件，持續推進陶瓷加熱器的國產化替代刻不容緩。
參考來源：中國粉體網、活性釬焊、微納研究院等。
（中國粉體網/山川）
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