在半导体制造的前道工序中，晶圆需要经过一系列复杂的工艺处理，其中加热过程至关重要。温度的均匀性不仅影响产品的良率，还直接决定薄膜沉积、刻蚀等关键工艺的质量。在这些极端环境下，半导体设备不仅要在真空、等离子体及化学气体共存的条件下运行，还要确保晶圆温度的稳定性和均匀性，这使得陶瓷加热器（Ceramic Heater）成为不可或缺的重要零部件。 陶瓷加热器是半导体薄膜沉积设备中的关键组件，它直接应用于工艺腔体中，与晶圆直接接触，不仅承载晶圆，还确保晶圆获得稳定、均匀的工艺温度。这一特性对于在晶圆表面进行高精度反应并生成均匀薄膜至关重要。薄膜沉积设备由于涉及到高温环境，通常采用以氮化铝（AlN）为主的陶瓷材料，这不仅因为氮化铝具有优异的电绝缘性和导热性，还因为其热膨胀系数接近硅，具备出色的等离子体抗性，非常适合作为半导体设备零部件的材料。希望常见面的话，点击上方即刻关注，设为星标！不错过更多半导体行业知识！
氮化铝（AlN）陶瓷加热器在半导体制造中之所以受到青睐，主要得益于其独特的物理和化学性质。氮化铝不仅具有高导热性，能够在短时间内实现快速升温和降温，还具有良好的电绝缘性和机械强度，确保了加热器的稳定性和可靠性。此外，氮化铝的热膨胀系数与硅相近，这有助于减少热应力对晶圆的影响，提高工艺良率。 在薄膜沉积设备中，氮化铝陶瓷加热器通常嵌入工艺腔体中，与晶圆直接接触。通过精确控制加热器的温度，可以确保晶圆表面温度在±1.0%以内波动，甚至一些高端加热器如日本碍子（NGK insulator）的产品，温度波动可以控制在0.1%以内，这是实现高质量薄膜沉积的关键。 与薄膜沉积设备中的陶瓷加热器不同，静电卡盘（Electrostatic Chuck, ESC）主要应用于刻蚀设备中，以氧化铝（Al2O3）为主要材料。静电卡盘不仅具有加热功能，还能通过静电吸附作用固定晶圆，确保在刻蚀过程中晶圆位置的稳定性。在干法刻蚀过程中，晶圆需要在-70℃至100℃的特定温度范围内维持特定的刻蚀特性，因此静电卡盘需要同时具备加热和散热功能，以实现对晶圆温度的精准控制。![]()
为了提高晶圆表面的均热性，静电卡盘通常采用多温控区设计，每个温控区都可以进行独立的温度控制，从而进一步提高工艺良率。随着半导体工艺的发展，传统陶瓷加热器与静电卡盘的界限逐渐模糊，一些先进的陶瓷加热器已经具备高温加热和静电吸附的双重功能，为半导体制造提供了更多的可能性。 陶瓷加热器的基本构造包括承载晶圆的陶瓷基座、背面对其提供支承的圆筒状支持体，以及在陶瓷基座内部或表面设置的加热电阻元件和射频电极。为了实现快速升温和降温，陶瓷基座的厚度需要尽可能薄，但过薄又会导致刚性下降，因此需要在保证刚性的前提下尽量减薄。 加热器的支持体通常采用与基座热膨胀系数相近的材质，如氮化铝，以确保在温度变化时不会产生过大的热应力。加热器采用独特的轴接合底部结构，可以有效保护端子和导线免受等离子体及腐蚀性化学气体的影响。支持体内设有热传导气体进出管道，以确保加热器温度均匀分布。 在加热器基座内，埋设有电阻加热元件，这是通过采用导体浆料（如钨、钼或钽）的丝网印刷法形成的漩涡形或同心圆形状电路图案。电阻加热元件的精度和均匀性对加热器的性能至关重要。在制造过程中，需要严格控制氮化铝材料的纯度、密度、热导率和体电阻率等参数，以确保加热器的稳定性和可靠性。 根据市场研究机构报告，2022年全球半导体用氮化铝陶瓷加热器市场规模为3300万美元，预计到2031年市场规模将达到7852.9万美元，复合年增长率为10%。这一增长主要得益于半导体行业的快速发展和对高质量薄膜沉积技术的需求不断增加。 目前，全球半导体用氮化铝陶瓷加热器的主要生产商包括NGK insulator、MiCo Ceramics、Boboo Hi-Tech、AMAT、Sumitomo Electric、CoorsTek和Semixicon LLC等。这些公司在技术研发、产品创新和市场份额方面占据领先地位。 就产品类型而言，目前8英寸是最主要的细分产品，占据大约45.9%的市场份额。随着半导体工艺的不断进步，更大尺寸的加热器需求也在逐渐增加。就产品应用而言，化学气相沉积设备是最主要的需求来源，占据大约73.7%的份额。随着半导体制造技术的不断发展，陶瓷加热器在薄膜沉积、刻蚀等关键工艺中的应用将更加广泛。 陶瓷加热器作为半导体薄膜沉积设备中的关键零部件，在半导体制造中发挥着至关重要的作用。通过精确控制晶圆温度，陶瓷加热器确保了高质量薄膜的沉积和工艺良率的提高。![]()
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