中國粉體網訊 半導體設備可分為前道設備（晶圓制造）和后道設備（封裝與測試）兩大類。前道設備投資量占總設備的80%以上，刻蝕設備、薄膜沉積設備和光刻機分別占前道設備價值量的22%、22%和17%，是半導體前道生產工藝中的三大核心設備，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、刻蝕被視為半導體制造的三大核心設備，其中薄膜沉積是基礎，其作用是在晶圓表面通過物理/化學方法交替堆疊SiO2、SiN等絕緣介質薄膜和Al、Cu等金屬導電膜等，在這些薄膜上可以進行掩膜版圖形轉移（光刻）、刻蝕等工藝，最終形成各層電路結構。由于制造工藝中需要薄膜沉積技術在晶圓上重復堆疊薄膜，因此薄膜沉積技術可視為前道制造中的“加法工藝”。
2023年晶圓制造設備銷售額約占總體半導體設備銷售額的90%，達到約960億美元，全球薄膜沉積設備市場規模約為211億美元。
薄膜沉積設備所沉積的薄膜是芯片結構內的功能材料層，在芯片制造過程中需求量巨大，直接影響芯片的性能。不同芯片結構所需要的薄膜材料種類不同、沉積工序不同、性能指標不同，相應產生了巨大的薄膜沉積設備市場。目前主流的薄膜沉積設備有物理氣相沉積（PVD）、化學氣相沉積（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。
薄膜沉積設備分類
隨著半導體制造技術的不斷發展，對薄膜沉積設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，為半導體制造技術的發展提供了有力支持。
陶瓷加熱器
晶圓在加熱過程中至關重要，溫度的均勻性不僅影響產品的良率，還直接決定薄膜沉積、刻蝕等關鍵工藝的質量。陶瓷加熱器是半導體薄膜沉積設備中的關鍵組件，它直接應用于工藝腔體中，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
基于該設備高溫的使用環境，通常選用以氮化鋁（AlN）為主的陶瓷材料，AlN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。
陶瓷加熱器的構造包含陶瓷基體（具有晶圓載放面）、圓筒形支撐體（提供支承），在陶瓷基體內部或表面，設置有電阻發熱體電路（用于加熱）、RF電極和靜電卡盤用電極等導電體。支撐體內設置有熱傳導氣體進出管道，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%以內波動，甚至一些高端加熱器如日本礙子（NGK insulator）的產品，溫度波動可以控制在0.1%以內，這是實現高質量薄膜沉積的關鍵。
陶瓷噴嘴
HDP-CVD是一種利用電感耦合等離子體（ICP）源的化學氣相沉積設備，是一種越來越受歡迎的等離子體沉積設備。
在HDP-CVD中，反應氣體是通過連接腔體內外的陶瓷噴嘴進入到反應腔內的，因此噴嘴的品質會直接決定反應氣體的純度和流速。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生雜質污染，也不會因為熱形變造成裝配部件的磨損帶來雜質污染，從而確保噴嘴不會對反應氣體和反應腔體造成任何的雜質污染風險，可以更好地滿足先進制程HDP-CVD設備中的應用要求。
氧化鋁噴嘴、氮化鋁噴嘴，來源：卡貝尼
靜電卡盤
靜電卡盤作為半導體刻蝕、薄膜沉積、離子注入等關鍵設備中的核心部件，其需求也將相應增加。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的溫度控制，以確保晶圓在刻蝕過程中的穩定性和位置精確度。
靜電卡盤對于執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行薄膜沉積工藝。靜電卡盤通過靜電吸附原理，利用電場產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生移動，確保薄膜沉積的精確性和一致性。
隨著半導體工藝的發展，傳統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具備高溫加熱和靜電吸附的雙重功能，為半導體制造提供了更多的可能性。而用于刻蝕設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變為氮化鋁。
陶瓷腔體罩
陶瓷腔體罩是包括陶瓷dome、冷卻系統、電極控制系統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備中關鍵部件之一，其性能對保證晶圓品質至關重要。
陶瓷腔體罩覆蓋在晶圓上部，將CVD設備腔體進行密封，形成封閉的腔室環境，在鐘形罩周圍有線圈的天線構件，可以施加高頻功率形成感應電場來產生ICP（等離子體），并通過陶瓷腔體罩引入腔室內部，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腔室的密封性、內外壓差、反應腔內潔凈度等起到關鍵作用，是CVD設備最為關鍵的核心部件之一。
來源：
陶近翁等：半導體陶瓷零部件種類及應用
肖心怡：半導體薄膜沉積設備，國產替代持續推進（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鍵作用
珂瑪科技招股書
（中國粉體網編輯整理/空青）
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