中國粉體網(wǎng)訊 半導(dǎo)體設(shè)備可分為前道設(shè)備（晶圓制造）和后道設(shè)備（封裝與測試）兩大類。前道設(shè)備投資量占總設(shè)備的80%以上，刻蝕設(shè)備、薄膜沉積設(shè)備和光刻機分別占前道設(shè)備價值量的22%、22%和17%，是半導(dǎo)體前道生產(chǎn)工藝中的三大核心設(shè)備，決定了芯片制造工藝的先進程度。
來源：SEMI、頭豹研究院
薄膜沉積、光刻、刻蝕被視為半導(dǎo)體制造的三大核心設(shè)備，其中薄膜沉積是基礎(chǔ)，其作用是在晶圓表面通過物理/化學(xué)方法交替堆疊SiO2、SiN等絕緣介質(zhì)薄膜和Al、Cu等金屬導(dǎo)電膜等，在這些薄膜上可以進行掩膜版圖形轉(zhuǎn)移（光刻）、刻蝕等工藝，最終形成各層電路結(jié)構(gòu)。由于制造工藝中需要薄膜沉積技術(shù)在晶圓上重復(fù)堆疊薄膜，因此薄膜沉積技術(shù)可視為前道制造中的“加法工藝”。
2023年晶圓制造設(shè)備銷售額約占總體半導(dǎo)體設(shè)備銷售額的90%，達(dá)到約960億美元，全球薄膜沉積設(shè)備市場規(guī)模約為211億美元。
薄膜沉積設(shè)備所沉積的薄膜是芯片結(jié)構(gòu)內(nèi)的功能材料層，在芯片制造過程中需求量巨大，直接影響芯片的性能。不同芯片結(jié)構(gòu)所需要的薄膜材料種類不同、沉積工序不同、性能指標(biāo)不同，相應(yīng)產(chǎn)生了巨大的薄膜沉積設(shè)備市場。目前主流的薄膜沉積設(shè)備有物理氣相沉積（PVD）、化學(xué)氣相沉積（CVD）、原子層沉積（ALD）。三種薄膜沉積工藝在沉積原理、沉積材料、適用膜層及工藝等方面存在明顯差異，憑借各自的特性搭配完成集成電路制造流程中的薄膜沉積。
薄膜沉積設(shè)備分類
隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的不斷發(fā)展，對薄膜沉積設(shè)備的要求也越來越高。先進陶瓷作為新型材料，其性能的不斷提升和新型陶瓷材料的開發(fā)，為半導(dǎo)體制造技術(shù)的發(fā)展提供了有力支持。
陶瓷加熱器
晶圓在加熱過程中至關(guān)重要，溫度的均勻性不僅影響產(chǎn)品的良率，還直接決定薄膜沉積、刻蝕等關(guān)鍵工藝的質(zhì)量。陶瓷加熱器是半導(dǎo)體薄膜沉積設(shè)備中的關(guān)鍵組件，它直接應(yīng)用于工藝腔體中，與晶圓直接接觸，不僅承載晶圓，還可以在成膜流程中均勻控制晶圓溫度。
陶瓷加熱器，來源：NGK、住友電工
基于該設(shè)備高溫的使用環(huán)境，通常選用以氮化鋁（AlN）為主的陶瓷材料，AlN不僅具有高導(dǎo)熱性，能夠在短時間內(nèi)實現(xiàn)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(wěn)定性和可靠性。此外，氮化鋁的熱膨脹系數(shù)與硅相近，這有助于減少熱應(yīng)力對晶圓的影響，提高工藝良率。
陶瓷加熱器的構(gòu)造包含陶瓷基體（具有晶圓載放面）、圓筒形支撐體（提供支承），在陶瓷基體內(nèi)部或表面，設(shè)置有電阻發(fā)熱體電路（用于加熱）、RF電極和靜電卡盤用電極等導(dǎo)電體。支撐體內(nèi)設(shè)置有熱傳導(dǎo)氣體進出管道，保證加熱盤的釋放的溫度均勻，陶瓷基體和支持體利用接合層進行化學(xué)接合。通過精確控制加熱器的溫度，可以確保晶圓表面溫度在±1.0%以內(nèi)波動，甚至一些高端加熱器如日本礙子（NGK insulator）的產(chǎn)品，溫度波動可以控制在0.1%以內(nèi)，這是實現(xiàn)高質(zhì)量薄膜沉積的關(guān)鍵。
陶瓷噴嘴
HDP-CVD是一種利用電感耦合等離子體（ICP）源的化學(xué)氣相沉積設(shè)備，是一種越來越受歡迎的等離子體沉積設(shè)備。
在HDP-CVD中，反應(yīng)氣體是通過連接腔體內(nèi)外的陶瓷噴嘴進入到反應(yīng)腔內(nèi)的，因此噴嘴的品質(zhì)會直接決定反應(yīng)氣體的純度和流速。常用來制備陶瓷噴嘴的材料有氧化鋁和氮化鋁，由于氮化鋁陶瓷的熱導(dǎo)率和抗熱震性比氧化鋁更好，噴嘴不會因為等離子體腐蝕產(chǎn)生雜質(zhì)污染，也不會因為熱形變造成裝配部件的磨損帶來雜質(zhì)污染，從而確保噴嘴不會對反應(yīng)氣體和反應(yīng)腔體造成任何的雜質(zhì)污染風(fēng)險，可以更好地滿足先進制程HDP-CVD設(shè)備中的應(yīng)用要求。
氧化鋁噴嘴、氮化鋁噴嘴，來源：卡貝尼
靜電卡盤
靜電卡盤作為半導(dǎo)體刻蝕、薄膜沉積、離子注入等關(guān)鍵設(shè)備中的核心部件，其需求也將相應(yīng)增加。例如，在先進制程的刻蝕工藝中，需要靜電卡盤提供更強大的靜電吸附力和更精準(zhǔn)的溫度控制，以確保晶圓在刻蝕過程中的穩(wěn)定性和位置精確度。
靜電卡盤對于執(zhí)行需要在不破壞真空的情況下進行對基板表面的加熱和冷卻兩者的等離子體輔助干法蝕刻處理來說尤其有用。另外，靜電卡盤可有用于在基板上執(zhí)行薄膜沉積工藝。靜電卡盤通過靜電吸附原理，利用電場產(chǎn)生的靜電力將硅晶圓或其他基底材料牢固地固定在其表面，防止在處理過程中發(fā)生移動，確保薄膜沉積的精確性和一致性。
隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，傳統(tǒng)陶瓷加熱器與靜電卡盤的界限逐漸模糊，一些先進的陶瓷加熱器已經(jīng)具備高溫加熱和靜電吸附的雙重功能，為半導(dǎo)體制造提供了更多的可能性。而用于刻蝕設(shè)備的靜電卡盤也開始涉及高溫制程，陶瓷材料就要從氧化鋁轉(zhuǎn)變?yōu)榈X。
陶瓷腔體罩
陶瓷腔體罩是包括陶瓷dome、冷卻系統(tǒng)、電極控制系統(tǒng)的一體化獨立功能部件，是40nm及以下所有制程的薄膜沉積設(shè)備中關(guān)鍵部件之一，其性能對保證晶圓品質(zhì)至關(guān)重要。
陶瓷腔體罩覆蓋在晶圓上部，將CVD設(shè)備腔體進行密封，形成封閉的腔室環(huán)境，在鐘形罩周圍有線圈的天線構(gòu)件，可以施加高頻功率形成感應(yīng)電場來產(chǎn)生ICP（等離子體），并通過陶瓷腔體罩引入腔室內(nèi)部，進行等離子處理并保護淀膜進程的順利進行。陶瓷腔體罩對保證反應(yīng)腔室的密封性、內(nèi)外壓差、反應(yīng)腔內(nèi)潔凈度等起到關(guān)鍵作用，是CVD設(shè)備最為關(guān)鍵的核心部件之一。
來源：
陶近翁等：半導(dǎo)體陶瓷零部件種類及應(yīng)用
肖心怡：半導(dǎo)體薄膜沉積設(shè)備，國產(chǎn)替代持續(xù)推進（久陽潤泉投研團隊）
微納研究院：【微納加工】陶瓷加熱器在薄膜沉積中的關(guān)鍵作用
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（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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