中国粉体网讯  在先进的大规模集成电路制造过程中有着几百种工艺步骤，圆片需要在多达几百种的工艺设备之间来回传输并进行加工检测。在加工过程中，圆片必须被十分平稳、固定地安放在工艺设备上。

图片来源：海拓创新

静电吸盘结构及工作原理

传统的夹持技术如真空吸盘、机械夹盘已经满足不了现在工艺技术的要求。70年代初G.A.Wardly等人率先提出了一种静电卡盘技术，该方案作用力分布均匀，圆片不会翘曲；非直接接触，污染少。

机械卡盘与真空吸盘

静电卡盘，也称静电吸盘，现在已经广泛应用在等离子和真空环境下的半导体工艺过程中，比如刻蚀、化学气相沉淀、离子植入等。这种技术优势在于它对良率的提升、没有圆片边缘排除效应、圆片夹持均匀度好、可控温度等等。一个典型的静电吸盘夹持系统是一个三明治结构包括三部分：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吸盘内自表层到底座依次为电介质吸附层、电极层和基底层，如下图所示。除了比较常见的三层型静电吸盘外，还有结构比较复杂的静电吸盘。

实际应用中，圆片充当上表面的电极，下电极和电介质被整合制造在一个部件中。在圆片制造过程中，一个直流电压加在圆片和下电极之间，圆片由于静电吸引力被夹持在静电吸盘上。此外，圆片的热量可以通过流经圆片背面的热传导气体如氦气传导出去，达到温度控制的作用。

静电吸盘优势

与传统的机械卡盘和真空吸盘相比静电卡盘具有很多的优点，静电卡盘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，同时克服了真空吸盘不可以应用于低压环境、无法通过背吹气体对晶片温度进行有效控制的缺陷。因此，静电卡盘己经取代了传统的机械卡盘和真空吸盘，广泛应用于集成电路制造工艺。

机械卡盘、真空吸盘与静电卡盘的特点和对比

静电吸盘分类

静电吸盘有两种模型：Coulomb力模型和J-R力模型。

Coulomb力模型中，电介质层是理想的绝缘体，其体内没有可自由移动的电子，只有极化电荷，这样两个电极之间形成了标准的静电吸引力。

J-R力模型中，由于电介质层和圆片背面不是理想平面，有不同的粗糙度，加高压直流电时，许多杂质带电离子（电介质体电阻有限）迁移并聚集在电介质上表面，体电阻值越小，加压时间越长，带电粒子迁移得越快。这样在非接触面的小空洞里面形成了很强的电场，我们称之为J-R效应，由此产生的夹持力叫J-R力。

一般来说，所有的静电吸盘都是库仑力和J-R力组合作用的，电介质的体电阻值越小，其可自由移动的带电粒子越多，J-R力越明显；反之，库仑力越明显。在实际应用过程中，静电吸盘要不断的夹持、释放圆片，这就涉及到等效的电容器充放电问题。夹持力的大小，充放电的好坏以及冷却气体的品质直接与我们生产的产品良率有关。

异形状电极

目前在国际上也存在许多电极层为异形状的静电吸盘，日本创意科技股份有限公司就提供了一种新型的双极型静电吸盘，其电极层形状与常见的静电吸盘电极层不同，在此形状电极层中被划分为两种电极单元分别连接外界电压的正电压及负电压，每个电极单元四周都分布着另一种电极单元，在整个电极层上两种电极单元数量一样多，这样使得整体硅片表面电荷量总含量为零，同时在外加电压消失时周围的异性电极可以有效的消除电极单元的参与电荷。

关于静电吸盘主体材料

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，则在对硅片的加工过程中将无法确保加工的均匀性，加工精度将受到极大的影响，因此如何提高硅片在加工过程中的表面的均温性一直是半导体工业中的一大研究方向。现代的硅片工艺中普遍用来提高硅片均温性的方法主要是通过提高硅片背面的散热性，使局部的高温可以立刻散失以此来保证硅片加工过程中的硅片表面的均温。其次是通过增加硅片表面的气体对流，使用气体对流散热的方法来均匀硅片表面的温度。而第一种散热方法主要就是依靠静电吸盘对硅片散热，静电吸盘材料的散热性将对硅片表面的均温性产生极大的影响。

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目前的静电吸盘主要采用氧化铝陶瓷作为主体制造材料，而氧化铝材料热导率及相关机械性能不及氮化铝陶瓷。因此采用氮化铝陶瓷替代氧化铝陶瓷作为静电吸盘的制造材料将成为趋势。氮化铝材料凭借其优秀的综合性能被国内外专家一致看好，已成为业内普遍认同的新型封装材料。氮化铝陶瓷还拥有的优良的导热性能，其理论热导率达到320W/(m·K)。除高热导率外，氮化铝陶瓷的其他性能也能优秀：绝缘性能优异（体电阻率超过10¹³Ω·cm）；热膨胀系数（293～773K，418×10^-6K^-1）与半导体材料相近；介电常数、介电损耗适中；热导率受温度影响小特别是在200℃上时，此优点更为突出。因此氮化铝陶瓷已广泛的运用于集成电路的散热基板以及微波管中的散热元件。但由于氮化铝陶瓷加工工艺相比氧化铝陶瓷困难许多，在目前比较成熟的静电吸盘技术中氮化铝陶瓷并未得到广泛的应用，绝大部分的静电吸盘均采用制造工艺相对简单的氧化铝陶瓷作为主体材料，氮化铝陶瓷相比氧化铝的优势并未在静电吸盘中得到体现。

全球静电吸盘市场状况及竞争格局

静电吸盘（ESC）行业的发展与半导体设备配套需求密切相关。近年来，随着国家加大半导体领域的投入，我国半导体设备采购额逐年增加，推动了包括静电吸盘（ESC）在内的核心部件的采购量增长。此外，随着中国大陆晶圆产能的建设和扩产，中国成为全球晶圆产能增长的重心，带动国产半导体设备的需求增长，为国产静电吸盘（ESC）的发展提供了良好的机遇。

根据新思界产业研究中心发布的《2020年全球及中国静电吸盘（ESC）产业深度研究报告》，2019年，全球地区静电吸盘（ESC）市场规模为34.13亿元，其中，北美地区静电吸盘（ESC）市场规模为12.78亿元，欧洲地区静电吸盘（ESC）市场规模为9.10亿元，中国静电吸盘（ESC）行业市场规模为2.56亿元。

全球静电吸盘市场具有高度垄断性，由日本和美国企业主导，美国企业主要有美国AMAT（应用材料）、美国LAM（泛林集团），日本企业主要有Shinko（新光电气）、TOTO、NTKCERATEC等。国际巨头长期控制着全球静电吸盘产品的供应链，市场集中度较高。

中国静电吸盘行业发展时间较短，目前正处于起步阶段，市场竞争力较弱。除了北京华卓精密科技股份有限公司、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外，其他大部分企业，如北京软体机器人科技有限公司、浙江新纳陶瓷新材有限公司、中山市思考电子科技有限公司尚处于研发阶段，目前仅能进行静电吸盘的维修以及更换，在生产方面尚不成熟。

中国拥有全球最大且增速最快的半导体消费市场，然而，我国国产设备及静电吸盘（ESC）等核心部件的国产化率仍较低，具有较强的替代需求。巨大的下游市场配合积极的国家产业政策与活跃的社会资本，正在全方位、多角度地支持国内半导体行业发展，共同推动我国静电吸盘（ESC）等半导体配套设备国产化稳步进行，为中国静电吸盘（ESC）厂商的发展壮大创造了机遇。

参考来源：

[1]董家伟等.干法刻蚀中静电吸盘对产品良率的影响

[2]牛晨旭.J-R型氮化铝陶瓷静电吸盘的设计与制造

[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]陈晨.【聚焦】全球静电吸盘市场高度集中中国静电吸盘市场刚起步.新思界网

（中国粉体网编辑整理/山川）

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