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半導體設備零部件之陶瓷加熱器
類別：行業新聞 發布時間：2025-02-26 11:23:00 瀏覽：685 次
在半導體制造的前道工序（FEOL）中，要對晶圓進行各種工藝處理，特別是要將晶圓加熱到一定溫度，并且有著嚴格的要求，因為溫度的均勻性對產品良率有著非常重要的影響；同時半導體設備還要在真空、等離子體和化學氣體存在的環境下工作，這就要用到陶瓷加熱器（Ceramic Heater）。陶瓷加熱器是半導體薄膜沉積設備的重要零部件，應用于工藝腔體中，直接與晶圓接觸，承載并使晶圓獲得穩定、均勻的工藝溫度及在晶圓表面上進行高精度的反應并生成薄膜。
陶瓷加熱器應用的薄膜沉積設備因為涉及到高溫，一般采用以氮化鋁（AlN）為主的陶瓷材料。因為氮化鋁具有電絕緣性和優異的導熱性；此外其熱膨脹系數接近硅，且具有優異的等離子體抗性，非常適合用作半導體設備零部件。
靜電卡盤（ESC）主要應用于刻蝕設備，以氧化鋁（Al2O3）為主。由于靜電卡盤本身也含加熱器，以干法刻蝕為例，其需要將晶圓控制在 -70℃~100℃ 范圍內的某一特定溫度下以維持某種刻蝕特性，因此需要通過靜電卡盤對晶圓進行加熱或散熱從而對晶圓溫度進行精準控制。再有為保證晶圓表面的均熱性，靜電卡盤往往需要通過增加溫控區的方式，對每一溫控區進行單獨溫度控制，提高工藝良率。當然隨著工藝的發展，傳統陶瓷加熱器與靜電卡盤的區分開始變得模糊，某些陶瓷加熱器就具備高溫加熱和靜電吸附的雙重功能。
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材質，因此支持體往往也是氮化鋁材質。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。
加熱器基本性能
在使用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以確保活性氣體在襯底表面充分反應，從而形成均勻的薄膜?。而等離子體能否均勻分布與嵌入加熱器中的射頻網（RF Mesh）密切相關。其次，特定的工藝溫度保證出色的熱均勻性。陶瓷加熱器確保晶圓表面溫度在±1.0% 以內波動。比如日本礙子（NGK insulator） 生產的加熱器溫度波動小于 0.1%，屬于優異指標。
制造陶瓷加熱器時，對氮化鋁材料的純度也有要求。成分上的略微變化在一些條件下將會改變加熱器的顏色，也可能改變加熱器的電學性質，當然與之耦合的等離子體也會改變特性。除此之外，氮化鋁材料的密度、熱導率和體電阻率都會影響加熱器性能。
有文獻指出，500℃ 下加熱器的體電阻率至少需要在 5.0E+9 至 1.0E+10 Ω·cm的范圍內，并且 600℃~700℃ 下的體電阻率至少需要在 1.0E+8 至 1.0E+9 Ω·cm 的范圍內。典型的氮化鋁陶瓷加熱器的體電阻率從 500℃ 開始往往會快速下降，從而導致漏電現象。
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陶瓷加熱器應用的薄膜沉積設備因為涉及到高溫，一般采用以氮化鋁（AlN）為主的陶瓷材料。因為氮化鋁具有電絕緣性和優異的導熱性；此外其熱膨脹系數接近硅，且具有優異的等離子體抗性，非常適合用作半導體設備零部件。
靜電卡盤（ESC）主要應用于刻蝕設備，以氧化鋁（Al2O3）為主。由于靜電卡盤本身也含加熱器，以干法刻蝕為例，其需要將晶圓控制在 -70℃~100℃ 范圍內的某一特定溫度下以維持某種刻蝕特性，因此需要通過靜電卡盤對晶圓進行加熱或散熱從而對晶圓溫度進行精準控制。再有為保證晶圓表面的均熱性，靜電卡盤往往需要通過增加溫控區的方式，對每一溫控區進行單獨溫度控制，提高工藝良率。當然隨著工藝的發展，傳統陶瓷加熱器與靜電卡盤的區分開始變得模糊，某些陶瓷加熱器就具備高溫加熱和靜電吸附的雙重功能。
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材質，因此支持體往往也是氮化鋁材質。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。
加熱器基本性能
在使用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以確保活性氣體在襯底表面充分反應，從而形成均勻的薄膜?。而等離子體能否均勻分布與嵌入加熱器中的射頻網（RF Mesh）密切相關。其次，特定的工藝溫度保證出色的熱均勻性。陶瓷加熱器確保晶圓表面溫度在±1.0% 以內波動。比如日本礙子（NGK insulator） 生產的加熱器溫度波動小于 0.1%，屬于優異指標。
制造陶瓷加熱器時，對氮化鋁材料的純度也有要求。成分上的略微變化在一些條件下將會改變加熱器的顏色，也可能改變加熱器的電學性質，當然與之耦合的等離子體也會改變特性。除此之外，氮化鋁材料的密度、熱導率和體電阻率都會影響加熱器性能。
有文獻指出，500℃ 下加熱器的體電阻率至少需要在 5.0E+9 至 1.0E+10 Ω·cm的范圍內，并且 600℃~700℃ 下的體電阻率至少需要在 1.0E+8 至 1.0E+9 Ω·cm 的范圍內。典型的氮化鋁陶瓷加熱器的體電阻率從 500℃ 開始往往會快速下降，從而導致漏電現象。
根據市場研究機構報告，2022 年全球半導體用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%。半導體用氮化鋁陶瓷加熱器生產商主要包括 NGK insulator、MiCo Ceramics、Boboo Hi-Tech、AMAT、Sumitomo Electric、CoorsTek、Semixicon LLC等。2023年，全球前五大廠商占有大約 91.0% 的市場份額。就產品類型而言，目前 8 英寸是最主要的細分產品，占據大約 45.9% 的份額。就產品應用而言，目前化學氣相沉積設備是最主要的需求來源，占據大約 73.7% 的份額。
文章來源：ICPMS冷知識 gz07apple
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