半导体核心零部件"静电卡盘"行业研究

一、静电卡盘概述

卡盘是一种常见的夹紧装置，主要用于固定工件以便进行加工、测量、装配等操作。卡盘可以根据其工作原理、结构形式、夹紧方式等方面的不同，分为多种类型，常见的卡盘类型包括：机械卡盘、真空卡盘、静电卡盘。

机械卡盘通过机械臂来固定和支撑晶片，但夹钳会对硅片的边缘处造成损伤，容易使硅片翘曲，且颗粒污染度较高，此外机械卡盘在固定晶片时，还占用了晶片的边缘面积降低了晶片利用率；真空卡盘相较机械卡盘损伤小，也成为业界的一种广泛选择，但由于其不能应用于真空低压环境以及无法对硅片的温度进行有效控制，因此也具有其局限性；静电卡盘（Electrostatic chucks, ESC或E-Chuck）是一种利用静电吸附原理夹持固定被吸附物的夹具，其通常包含一个或多个导电电极，在外部高压电场的作用下，内部会形成电介质电场，被夹持物体的表面与电介质电场相对应的表面聚集极性相反的极化电荷，从而实现对晶片的吸附。其适用于真空及等离子体环境，能够使吸附物保持较好的平坦度，可以抑制吸附物在工艺中的变形，还能够调节吸附物的温度。在半导体、平板显示、光学等领域中有着广泛应用。静电卡盘为离子注入、刻蚀、薄膜沉积、光刻机、量检测设备等关键制程设备的核心零部件之一。

二、分类及应用场景

静电卡盘按照力学模型来划分，可分为库仑型、J-R型两大类，库仑型静电卡盘的介电层为高阻抗陶瓷材料，其吸附力相对较小，电极需要高电压，为目前市场上的主要产品，主要用于等离子刻蚀等工艺。J-R型静电卡盘使用的介电层材料具有导电性，由于介电质具有一定的导电性，施加电压时，电荷能够集中在表面附近电极间的距离小，吸附力大，所需的电压较小，但对卡盘表面粗糙度较敏感，且不易脱附，主要用于PVD、CVD等工艺。

从静电卡盘衬底材料来看，主流使用陶瓷材料，具体可分为氧化铝陶瓷和氮化铝陶瓷两大类。目前主流陶瓷材料为氧化铝。氮化铝陶瓷材料的静电卡盘导热性能更好，更适合作为半导体工艺的静电卡盘材料，但是氮化铝陶瓷的烧结难度较高，工艺较复杂，目前陶瓷静电卡盘广泛应用于各类半导体工艺设备中。此外，还有一类玻璃衬底的静电卡盘，在成本和工艺选择多样性上具备一定优势，主要应用于高精度、非高温场景，如高端光刻机的掩模运动台、晶圆运动台以及部分量检测设备。

半导体领域主要应用场景：

光刻机：DUV一般使用真空卡盘，EUV需要使用静电卡盘且对卡盘性能指标要求苛刻；

量检测设备：真空设备均需要使用静电卡盘，非真空设备一般使用真空卡盘；

刻蚀设备、薄膜沉积设备、离子注入设备：需要使用静电卡盘，并集成heater。

三、陶瓷静电卡盘结构

陶瓷静电卡盘结构主要包括基座、电极层和陶瓷盘。基座一般为铝基座，其中设计有冷却液流通通道、气孔通道、电极导线通道等结构。陶瓷盘为多层陶瓷共烧得到，类似千层饼结构。整体从上到下包括介质层、电极组层、绝缘/导热衬底层、加热电极层、绝缘/导热衬底层、基座，其中还有气孔通道等。

图片来源：Shinko官网

四、工艺流程及难点

静电卡盘生产的核心工艺为多层陶瓷共烧工艺。具体步骤为：将氧化铝/氮化铝粉末、粘黏剂、塑料剂等进行球磨后形成浆料；随后经历脱泡、流延、冲制形成特定规格的生瓷片；再经印刷、叠层、冲制形成多层生瓷片；最后经烧结、复烧、精加工形成最终静电卡盘的陶瓷片。生产过程中，由于步骤复杂，目前整体良率较低。生产后的陶瓷片再与铝制基座、加热层、电极层进行贴合，再经过表面处理与检验，最终形成静电卡盘。

从金属铝块、粉料等原料到静电卡盘完整的生产周期约2个半月。其中：基座从原材铝块到半成品基座生产周期约4周；陶瓷片从粉料到陶瓷盘生产周期约8周；其他各工序生产及检测需要约2-3周时间。

静电卡盘的工艺难点体现在原料、烧结工艺、陶瓷表面精加工工艺和QC检测手法：

原材料要求高：对粉体材料（纯度要求极高）、bonding用的胶粘剂（耐高温、腐蚀）、加热盘等材料要求高，目前仍以进口为主；

烧结工艺难：烧结过程中的温度控制，助剂添加比例及时点，杂质控制等存在大量know-how，需要多年一线积累；

陶瓷表面精加工工艺要求高：表面平坦度及形貌控制；表面粗度控制；Inner/Outer seal-band接触面积高度深度控制。目前国内能制造超高纯透明陶瓷片的企业寥寥无几；

QC检测手法复杂：外观尺寸/表面wafer接触面；电性测试，阻抗性，电容性，吸附力，漏电率；功能性测试，氦气漏率，热分布，电压稳定性等等。

五、静电卡盘市场规模及国产化进展

静电卡盘下游客户主要分为半导体工厂（FAB）端和设备端。

根据QYResearch数据，2021年全球静电卡盘市场销售额为17.14亿美元，预计2028年将达到24.11亿美元，2022-2028年复合增长率为5.06%；根据Global Info Research数据，2021年中国静电卡盘市场规模约21.12亿元，2028年预计增长至34.81亿元，2022-2028年复合增长率为7.29%。

数据来源：QYResearch、Global Info Research

静电卡盘的生命周期仅有1-2年，且海外对我国出口管控逐步升级，国内FAB厂购买先进制程静电卡盘受阻，需要通过翻修方式延长静电卡盘使用寿命。因此除静电卡盘新品外，国内FAB端还存在大量静电卡盘存量翻修需求。

从国产化进展来看，目前静电卡盘被日韩美制造商高度垄断，属于“卡脖子”关键零部件，尤其在美国半导体制裁加剧的背景下，国产替代需求进一步增强。竞争格局方面，美国LAM、AMAT（通过日韩OEM为主），日本Shinko、TOTO、京瓷等占据主要市场份额，国产化率不足5%，国产卡盘厂商当前以面向FAB提供维修翻新为主，但已有少数优秀企业实现全新静电卡盘制造技术的突破和商业化交付，并在大尺寸、先进制程以及原材料国产化方面持续投入，努力突破。此外，我们关注到部分已上市的半导体设备/材料/部件公司正通过研发、技术合作、投资孵化等方式布局静电卡盘领域。

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