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        在半導(dǎo)體制造的前道工序（FEOL）中，要對(duì)晶圓進(jìn)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(yán)格的要求，因?yàn)闇囟鹊木鶆蛐詫?duì)產(chǎn)品良率有著非常重要的影響；同時(shí)半導(dǎo)體設(shè)備還要在真空、等離子體和化學(xué)氣體存在的環(huán)境下工作，這就要用到陶瓷加熱器（Ceramic Heater）。陶瓷加熱器是半導(dǎo)體薄膜沉積設(shè)備的重要零部件，應(yīng)用于工藝腔體中，直接與晶圓接觸，承載并使晶圓獲得穩(wěn)定、均勻的工藝溫度及在晶圓表面上進(jìn)行高精度的反應(yīng)并生成薄膜。


陶瓷加熱器應(yīng)用的薄膜沉積設(shè)備因?yàn)樯婕暗礁邷兀话悴捎靡缘X（AlN）為主的陶瓷材料。因?yàn)榈X具有電絕緣性和優(yōu)異的導(dǎo)熱性；此外其熱膨脹系數(shù)接近硅，且具有優(yōu)異的等離子體抗性，非常適合用作半導(dǎo)體設(shè)備零部件。

靜電卡盤(pán)（ESC）主要應(yīng)用于刻蝕設(shè)備，以氧化鋁（Al2O3）為主。由于靜電卡盤(pán)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(nèi)的某一特定溫度下以維持某種刻蝕特性，因此需要通過(guò)靜電卡盤(pán)對(duì)晶圓進(jìn)行加熱或散熱從而對(duì)晶圓溫度進(jìn)行精準(zhǔn)控制。再有為保證晶圓表面的均熱性，靜電卡盤(pán)往往需要通過(guò)增加溫控區(qū)的方式，對(duì)每一溫控區(qū)進(jìn)行單獨(dú)溫度控制，提高工藝良率。當(dāng)然隨著工藝的發(fā)展，傳統(tǒng)陶瓷加熱器與靜電卡盤(pán)的區(qū)分開(kāi)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(gòu)造

陶瓷加熱器包括承載晶圓的陶瓷基座，以及背面對(duì)其提供支承圓筒狀的支持體。在陶瓷基座的內(nèi)部或表面，除了設(shè)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?qū)崿F(xiàn)快速的升溫和降溫，陶瓷基座的厚度要薄，但過(guò)薄也會(huì)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(shù)相近的材質(zhì)，因此支持體往往也是氮化鋁材質(zhì)。加熱器采用軸（Shaft）接合底部的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，能保護(hù)端子和導(dǎo)線不受等離子體以及腐蝕性化學(xué)氣體的影響。支持體內(nèi)設(shè)有熱傳導(dǎo)氣體進(jìn)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(jìn)行化學(xué)接合。

在加熱器基座內(nèi)，埋設(shè)有電阻加熱元件。它是通過(guò)采用導(dǎo)體漿料（鎢、鉬或鉭）的絲網(wǎng)印刷法來(lái)形成漩渦形或同心圓形狀電路圖案，當(dāng)然也可使用金屬線、金屬網(wǎng)、金屬箔等。在使用絲網(wǎng)印刷法時(shí)，準(zhǔn)備相同形狀的兩個(gè)陶瓷板，在其中一方表面涂布導(dǎo)體漿料。然后，對(duì)其進(jìn)行燒結(jié)形成電阻發(fā)熱體，將另一方陶瓷板夾著該電阻發(fā)熱體進(jìn)行重合，由此制作埋設(shè)在基座內(nèi)的電阻元件。

加熱器基本性能

在使用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積（PECVD）設(shè)備制備薄膜時(shí)，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(yīng)，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(wǎng)（RF Mesh）密切相關(guān)。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(nèi)波動(dòng)。比如日本礙子（NGK insulator） 生產(chǎn)的加熱器溫度波動(dòng)小于 0.1%，屬于優(yōu)異指標(biāo)。


制造陶瓷加熱器時(shí)，對(duì)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(huì)改變加熱器的顏色，也可能改變加熱器的電學(xué)性質(zhì)，當(dāng)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(dǎo)率和體電阻率都會(huì)影響加熱器性能。


有文獻(xiàn)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(nèi)，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(nèi)。典型的氮化鋁陶瓷加熱器的體電阻率從 500℃ 開(kāi)始往往會(huì)快速下降，從而導(dǎo)致漏電現(xiàn)象。

根據(jù)市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)報(bào)告，2022 年全球半導(dǎo)體用氮化鋁陶瓷加熱器市場(chǎng)規(guī)模為 3300 萬(wàn)美元，預(yù)計(jì)到 2031 年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到 7852.9 萬(wàn)美元，預(yù)測(cè)期間的復(fù)合年增長(zhǎng)率為 10%。半導(dǎo)體用氮化鋁陶瓷加熱器生產(chǎn)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(chǎng)份額。就產(chǎn)品類型而言，目前 8 英寸是最主要的細(xì)分產(chǎn)品，占據(jù)大約 45.9% 的份額。就產(chǎn)品應(yīng)用而言，目前化學(xué)氣相沉積設(shè)備是最主要的需求來(lái)源，占據(jù)大約 73.7% 的份額。

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