在半導體制造的前道工序（FEOL）中，要(yào / yāo)對(duì)晶圓進行(háng / xíng)各種工藝處理，特别是要(yào / yāo)将晶圓加熱到一定溫度，并且有着(zhe／zhuó／zhāo／zháo)嚴格的要(yào / yāo)求，因爲溫度的均勻性對(duì)産品良率有着(zhe／zhuó／zhāo／zháo)非常重要(yào / yāo)的影響；同時半導體設備還要(yào / yāo)在真空、等離子體和化學氣體存在的環境下(xià)工作，這就(jiù)要(yào / yāo)用(yòng)到陶瓷加熱器（Ceramic Heater）。陶瓷加熱器是半導體薄膜沉積設備的重要(yào / yāo)零部件，應用(yòng)于(yú)工藝腔體中，直接與晶圓接觸，承載并使晶圓獲得(dé / de / děi)穩定、均勻的工藝溫度及在晶圓表面上進行(háng / xíng)高精度的反應并生(shēng)成薄膜。


陶瓷加熱器應用(yòng)的薄膜沉積設備因爲涉及到高溫，一般采用(yòng)以氮化鋁（AlN）爲主的陶瓷材料。因爲氮化鋁具有電絕緣性和優異的導熱性；此外其(qí)熱膨脹系數接近矽，且具有優異的等離子體抗性，非常适合用(yòng)作半導體設備零部件。

靜電卡盤（ESC）主要(yào / yāo)應用(yòng)于(yú)刻蝕設備，以氧化鋁（Al2O3）爲主。由于(yú)靜電卡盤本身也含加熱器，以幹法刻蝕爲例，其(qí)需要(yào / yāo)将晶圓控制在 -70℃~100℃ 範圍内的某一特定溫度下(xià)以維持某種刻蝕特性，因此需要(yào / yāo)通過(guò)靜電卡盤對(duì)晶圓進行(háng / xíng)加熱或散熱從而(ér)對(duì)晶圓溫度進行(háng / xíng)精準控制。再有爲保證晶圓表面的均熱性，靜電卡盤往往需要(yào / yāo)通過(guò)增加溫控區的方式，對(duì)每一溫控區進行(háng / xíng)單獨溫度控制，提高工藝良率。當然随着(zhe／zhuó／zhāo／zháo)工藝的發(fā／fà)展，傳統陶瓷加熱器與靜電卡盤的區分開始變得(dé / de / děi)模糊，某些陶瓷加熱器就(jiù)具備高溫加熱和靜電吸附的雙重功能(néng)。

加熱器基本構造

陶瓷加熱器包括承載晶圓的陶瓷基座，以及背面對(duì)其(qí)提供支承圓筒狀的支持體。在陶瓷基座的内部或表面，除了設置有用(yòng)于(yú)加熱的電阻元件（加熱層），還有射頻電極（射頻層）。爲了能(néng)夠實現快速的升溫和降溫，陶瓷基座的厚度要(yào / yāo)薄，但過(guò)薄也會(huì)使得(dé / de / děi)剛性下(xià)降。加熱器的支持體一般采用(yòng)與基座熱膨脹系數相近的材質，因此支持體往往也是氮化鋁材質。加熱器采用(yòng)軸（Shaft）接合底部的獨特結構，能(néng)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。支持體内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(yòng)接合層進行(háng / xíng)化學接合。

在加熱器基座内，埋設有電阻加熱元件。它是通過(guò)采用(yòng)導體漿料（鎢、钼或钽）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(kě)使用(yòng)金屬線、金屬網、金屬箔等。在使用(yòng)絲網印刷法時，準備相同形狀的兩個陶瓷闆，在其(qí)中一方表面塗布導體漿料。然後(hòu)，對(duì)其(qí)進行(háng / xíng)燒結形成電阻發(fā／fà)熱體，将另一方陶瓷闆夾着(zhe／zhuó／zhāo／zháo)該電阻發(fā／fà)熱體進行(háng / xíng)重合，由此制作埋設在基座内的電阻元件。

加熱器基本性能(néng)

在使用(yòng)等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）設備制備薄膜時，成膜均勻性和膜厚的主要(yào / yāo)影響因素是等離子體特性和工藝溫度。首先，等離子體的密度和分布直接影響薄膜的均勻性和沉積速率。均勻分布的等離子體可(kě)以确保活性氣體在襯底表面充分反應，從而(ér)形成均勻的薄膜‌。而(ér)等離子體能(néng)否均勻分布與嵌入加熱器中的射頻網（RF Mesh）密切相關。其(qí)次，特定的工藝溫度保證出色的熱均勻性。陶瓷加熱器确保晶圓表面溫度在±1.0% 以内波動。比如(rú)日本礙子（NGK insulator） 生(shēng)産的加熱器溫度波動小于(yú) 0.1%，屬于(yú)優異指标。


制造陶瓷加熱器時，對(duì)氮化鋁材料的純度也有要(yào / yāo)求。成分上的略微變化在一些條件下(xià)将會(huì)改變加熱器的顔色，也可(kě)能(néng)改變加熱器的電學性質，當然與之耦合的等離子體也會(huì)改變特性。除此之外，氮化鋁材料的密度、熱導率和體電阻率都會(huì)影響加熱器性能(néng)。


有文獻指出，500℃ 下(xià)加熱器的體電阻率至少需要(yào / yāo)在 5.0E+9 至 1.0E+10 Ω·cm的範圍内，并且 600℃~700℃ 下(xià)的體電阻率至少需要(yào / yāo)在 1.0E+8 至 1.0E+9 Ω·cm 的範圍内。典型的氮化鋁陶瓷加熱器的體電阻率從 500℃ 開始往往會(huì)快速下(xià)降，從而(ér)導緻漏電現象。

根據市場研究機構報告，2022 年(nián)全球半導體用(yòng)氮化鋁陶瓷加熱器市場規模爲 3300 萬美元，預計到 2031 年(nián)市場規模将達到 7852.9 萬美元，預測期間的複合年(nián)增長率爲 10%。半導體用(yòng)氮化鋁陶瓷加熱器生(shēng)産商主要(yào / yāo)包括 NGK insulator、MiCo Ceramics、Boboo Hi-Tech、AMAT、Sumitomo Electric、CoorsTek、Semixicon LLC等。2023年(nián)，全球前五大廠商占有大約 91.0% 的市場份額。就(jiù)産品類型而(ér)言，目前 8 英寸是最主要(yào / yāo)的細分産品，占據大約 45.9% 的份額。就(jiù)産品應用(yòng)而(ér)言，目前化學氣相沉積設備是最主要(yào / yāo)的需求來源，占據大約 73.7% 的份額。

文章來源：ICPMS冷知識  gz07apple

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