半导体设备零部件之陶瓷加热器

在半导体制造的前道工序（FEOL）中，要对晶圆进行各种工艺处理，特别是要将晶圆加热到一定温度，并且有着严格的要求，因为温度的均匀性对产品良率有着非常重要的影响；同时半导体设备还要在真空、等离子体和化学气体存在的环境下工作，这就要用到陶瓷加热器（Ceramic Heater）。陶瓷加热器是半导体薄膜沉积设备的重要零部件，应用于工艺腔体中，直接与晶圆接触，承载并使晶圆获得稳定、均匀的工艺温度及在晶圆表面上进行高精度的反应并生成薄膜。

陶瓷加热器应用的薄膜沉积设备因为涉及到高温，一般采用以氮化铝（AlN）为主的陶瓷材料。因为氮化铝具有电绝缘性和优异的导热性；此外其热膨胀系数接近硅，且具有优异的等离子体抗性，非常适合用作半导体设备零部件。

静电卡盘（ESC）主要应用于刻蚀设备，以氧化铝（Al2O3）为主。由于静电卡盘本身也含加热器，以干法刻蚀为例，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，因此需要通过静电卡盘对晶圆进行加热或散热从而对晶圆温度进行精准控制。再有为保证晶圆表面的均热性，静电卡盘往往需要通过增加温控区的方式，对每一温控区进行单独温度控制，提高工艺良率。当然随着工艺的发展，传统陶瓷加热器与静电卡盘的区分开始变得模糊，某些陶瓷加热器就具备高温加热和静电吸附的双重功能。

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体。在陶瓷基座的内部或表面，除了设置有用于加热的电阻元件（加热层），还有射频电极（射频层）。为了能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。加热器的支持体一般采用与基座热膨胀系数相近的材质，因此支持体往往也是氮化铝材质。加热器采用轴（Shaft）接合底部的独特结构，能保护端子和导线不受等离子体以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，保证加热器温度均匀。基座与支持体之间用接合层进行化学接合。

在加热器基座内，埋设有电阻加热元件。它是通过采用导体浆料（钨、钼或钽）的丝网印刷法来形成漩涡形或同心圆形状电路图案，当然也可使用金属线、金属网、金属箔等。在使用丝网印刷法时，准备相同形状的两个陶瓷板，在其中一方表面涂布导体浆料。然后，对其进行烧结形成电阻发热体，将另一方陶瓷板夹着该电阻发热体进行重合，由此制作埋设在基座内的电阻元件。

加热器基本性能

在使用等离子体增强化学气相沉积（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体特性和工艺温度。首先，等离子体的密度和分布直接影响薄膜的均匀性和沉积速率。均匀分布的等离子体可以确保活性气体在衬底表面充分反应，从而形成均匀的薄膜‌。而等离子体能否均匀分布与嵌入加热器中的射频网（RF Mesh）密切相关。其次，特定的工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） 生产的加热器温度波动小于 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要求。成分上的略微变化在一些条件下将会改变加热器的颜色，也可能改变加热器的电学性质，当然与之耦合的等离子体也会改变特性。除此之外，氮化铝材料的密度、热导率和体电阻率都会影响加热器性能。

有文献指出，500℃ 下加热器的体电阻率至少需要在 5.0E+9 至 1.0E+10 Ω·cm的范围内，并且 600℃~700℃ 下的体电阻率至少需要在 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体电阻率从 500℃ 开始往往会快速下降，从而导致漏电现象。

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，预测期间的复合年增长率为 10%。半导体用氮化铝陶瓷加热器生产商主要包括 NGK insulator、MiCo Ceramics、Boboo Hi-Tech、AMAT、Sumitomo Electric、CoorsTek、Semixicon LLC等。2023年，全球前五大厂商占有大约 91.0% 的市场份额。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% 的份额。就产品应用而言，目前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。

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本届论坛将于2026年6月11日在苏州中惠铂尔曼酒店隆重举办，邀请半导体陶瓷材料领域的专家学者、国内外知名企业高管出席论坛并做大会报告。论坛将紧扣在半导体关键设备（如光刻机、等离子刻蚀机、离子注入机、CVD&PVD薄膜沉积、热处理扩散炉等）应用的先进陶瓷材料，如高纯氧化铝、氮化铝、碳化硅、氮化硅、氧化钇、堇青石、CVD-SiC等；以及关键陶瓷零部件，如陶瓷加热器、静电卡盘、真空吸盘、聚焦环、光刻机用低膨胀及近零膨胀陶瓷导轨和工件台；半导体级陶瓷的成型烧结精密加工及清洗技术、第三代碳化硅半导体等晶圆材料。论坛将紧密围绕高性能半导体级精密陶瓷零部件的新技术、新工艺、新材料、新应用、新市场及产业链发展进行互动交流，为半导体陶瓷产业上下游企业提供优质交流的宝贵机会，探讨我国半导体行业中精密陶瓷材料与关键零部件产业发展趋势与新机遇。

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