在半导體(tǐ)制造的前道工(gōng)序（FEOL）中(zhōng)，要对晶圆进行各种工(gōng)艺处理(lǐ)，特别是要将晶圆加热到一定温度，并且有(yǒu)着严格的要求，因為(wèi)温度的均匀性对产(chǎn)品良率有(yǒu)着非常重要的影响；同时半导體(tǐ)设备还要在真空、等离子體(tǐ)和化學(xué)气體(tǐ)存在的环境下工(gōng)作(zuò)，这就要用(yòng)到陶瓷加热器（Ceramic Heater）。陶瓷加热器是半导體(tǐ)薄膜沉积设备的重要零部件，应用(yòng)于工(gōng)艺腔體(tǐ)中(zhōng)，直接与晶圆接触，承载并使晶圆获得稳定、均匀的工(gōng)艺温度及在晶圆表面上进行高精(jīng)度的反应并生成薄膜。


陶瓷加热器应用(yòng)的薄膜沉积设备因為(wèi)涉及到高温，一般采用(yòng)以氮化铝（AlN）為(wèi)主的陶瓷材料。因為(wèi)氮化铝具(jù)有(yǒu)電(diàn)绝缘性和优异的导热性；此外其热膨胀系数接近硅，且具(jù)有(yǒu)优异的等离子體(tǐ)抗性，非常适合用(yòng)作(zuò)半导體(tǐ)设备零部件。

静電(diàn)卡盘（ESC）主要应用(yòng)于刻蚀设备，以氧化铝（Al2O3）為(wèi)主。由于静電(diàn)卡盘本身也含加热器，以干法刻蚀為(wèi)例，其需要将晶圆控制在 -70℃~100℃ 范围内的某一特定温度下以维持某种刻蚀特性，因此需要通过静電(diàn)卡盘对晶圆进行加热或散热从而对晶圆温度进行精(jīng)准控制。再有(yǒu)為(wèi)保证晶圆表面的均热性，静電(diàn)卡盘往往需要通过增加温控區(qū)的方式，对每一温控區(qū)进行单独温度控制，提高工(gōng)艺良率。当然随着工(gōng)艺的发展，传统陶瓷加热器与静電(diàn)卡盘的區(qū)分(fēn)开始变得模糊，某些陶瓷加热器就具(jù)备高温加热和静電(diàn)吸附的双重功能(néng)。

加热器基本构造

陶瓷加热器包括承载晶圆的陶瓷基座，以及背面对其提供支承圆筒状的支持體(tǐ)。在陶瓷基座的内部或表面，除了设置有(yǒu)用(yòng)于加热的電(diàn)阻元件（加热层），还有(yǒu)射频電(diàn)极（射频层）。為(wèi)了能(néng)够实现快速的升温和降温，陶瓷基座的厚度要薄，但过薄也会使得刚性下降。加热器的支持體(tǐ)一般采用(yòng)与基座热膨胀系数相近的材质(zhì)，因此支持體(tǐ)往往也是氮化铝材质(zhì)。加热器采用(yòng)轴（Shaft）接合底部的独特结构，能(néng)保护端子和导線(xiàn)不受等离子體(tǐ)以及腐蚀性化學(xué)气體(tǐ)的影响。支持體(tǐ)内设有(yǒu)热传导气體(tǐ)进出管道，保证加热器温度均匀。基座与支持體(tǐ)之间用(yòng)接合层进行化學(xué)接合。

在加热器基座内，埋设有(yǒu)電(diàn)阻加热元件。它是通过采用(yòng)导體(tǐ)浆料（钨、钼或钽）的丝网印刷法来形成漩涡形或同心圆形状電(diàn)路图案，当然也可(kě)使用(yòng)金属線(xiàn)、金属网、金属箔等。在使用(yòng)丝网印刷法时，准备相同形状的两个陶瓷板，在其中(zhōng)一方表面涂布导體(tǐ)浆料。然后，对其进行烧结形成電(diàn)阻发热體(tǐ)，将另一方陶瓷板夹着该電(diàn)阻发热體(tǐ)进行重合，由此制作(zuò)埋设在基座内的電(diàn)阻元件。

加热器基本性能(néng)

在使用(yòng)等离子體(tǐ)增强化學(xué)气相沉积（PECVD）设备制备薄膜时，成膜均匀性和膜厚的主要影响因素是等离子體(tǐ)特性和工(gōng)艺温度。首先，等离子體(tǐ)的密度和分(fēn)布直接影响薄膜的均匀性和沉积速率。均匀分(fēn)布的等离子體(tǐ)可(kě)以确保活性气體(tǐ)在衬底表面充分(fēn)反应，从而形成均匀的薄膜‌。而等离子體(tǐ)能(néng)否均匀分(fēn)布与嵌入加热器中(zhōng)的射频网（RF Mesh）密切相关。其次，特定的工(gōng)艺温度保证出色的热均匀性。陶瓷加热器确保晶圆表面温度在±1.0% 以内波动。比如日本碍子（NGK insulator） 生产(chǎn)的加热器温度波动小(xiǎo)于 0.1%，属于优异指标。


制造陶瓷加热器时，对氮化铝材料的纯度也有(yǒu)要求。成分(fēn)上的略微变化在一些条件下将会改变加热器的颜色，也可(kě)能(néng)改变加热器的電(diàn)學(xué)性质(zhì)，当然与之耦合的等离子體(tǐ)也会改变特性。除此之外，氮化铝材料的密度、热导率和體(tǐ)電(diàn)阻率都会影响加热器性能(néng)。


有(yǒu)文(wén)献指出，500℃ 下加热器的體(tǐ)電(diàn)阻率至少需要在 5.0E+9 至 1.0E+10 Ω·cm的范围内，并且 600℃~700℃ 下的體(tǐ)電(diàn)阻率至少需要在 1.0E+8 至 1.0E+9 Ω·cm 的范围内。典型的氮化铝陶瓷加热器的體(tǐ)電(diàn)阻率从 500℃ 开始往往会快速下降，从而导致漏電(diàn)现象。

根据市场研究机构报告，2022 年全球半导體(tǐ)用(yòng)氮化铝陶瓷加热器市场规模為(wèi) 3300 万美元，预计到 2031 年市场规模将达到 7852.9 万美元，预测期间的复合年增長(cháng)率為(wèi) 10%。半导體(tǐ)用(yòng)氮化铝陶瓷加热器生产(chǎn)商(shāng)主要包括 NGK insulator、MiCo Ceramics、Boboo Hi-Tech、AMAT、Sumitomo Electric、CoorsTek、Semixicon LLC等。2023年，全球前五大厂商(shāng)占有(yǒu)大约 91.0% 的市场份额。就产(chǎn)品类型而言，目前 8 英寸是最主要的细分(fēn)产(chǎn)品，占据大约 45.9% 的份额。就产(chǎn)品应用(yòng)而言，目前化學(xué)气相沉积设备是最主要的需求来源，占据大约 73.7% 的份额。

文(wén)章来源：ICPMS冷知识  gz07apple

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