從PC+互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代到移動(dòng)+社交媒體時(shí)代，再到未來(lái)的AI+大數(shù)據(jù)時(shí)代，為了迎合系統(tǒng)需求不斷增長(zhǎng)且呈現(xiàn)多樣化的趨勢(shì)，晶圓級(jí)封裝技術(shù)正朝著高密度、超薄、超小和更高性能的方向不斷突破，與此同時(shí)，對(duì)超薄器件晶圓的夾持問(wèn)題也提出了新的需求和挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)的晶圓夾持方法包括傳統(tǒng)機(jī)械工業(yè)常采用的機(jī)械夾持、石蠟粘結(jié)等方法，容易對(duì)晶圓造成損傷，同時(shí)很容易使晶圓翹曲，并污染晶圓，對(duì)其加工精度有很大影響，后來(lái)逐漸發(fā)展出利用多孔陶瓷制備成的真空吸盤(pán)，然而，由于真空吸盤(pán)是利用硅片與陶瓷表面形成負(fù)壓而吸附晶圓的，容易使晶圓產(chǎn)生局部變形而影響平整度，因此近年來(lái)，具有穩(wěn)定均勻吸附力，不會(huì)對(duì)晶圓產(chǎn)生污染且可對(duì)硅片溫度進(jìn)行有效控制的陶瓷靜電吸盤(pán)逐漸成為超薄晶圓理想的夾持工具。

來(lái)源：日本特殊陶業(yè)株式會(huì)社（NTK）

靜電吸盤(pán)是如何工作的？

一般來(lái)說(shuō)，陶瓷靜電吸盤(pán)主要由電介質(zhì)吸附層、電極層和基底層這三部分以層狀結(jié)構(gòu)由表向里堆疊而成，電介質(zhì)吸附層位于表面，用于實(shí)現(xiàn)高效吸附。電極層則位于中間，通過(guò)加上正電壓或負(fù)電壓，形成靜電場(chǎng)，基底層則起到支撐和固定作用。除此之外，在靜電吸盤(pán)內(nèi)部還可鑲嵌電極柱、氣體通道、粘結(jié)材料等輔助結(jié)構(gòu)，其中氣體可在工作時(shí)通入He氣，通過(guò)氣體循環(huán)流動(dòng)進(jìn)行熱傳遞，從而穩(wěn)定控制wafer的溫度。

靜電吸盤(pán)結(jié)構(gòu)（來(lái)源：Shinko官網(wǎng)）

根據(jù)電介質(zhì)吸附層是否為摻雜電介質(zhì)，靜電吸盤(pán)可分為庫(kù)倫類(lèi)和迥斯熱背（JR）類(lèi)，純電介質(zhì)（高阻抗陶瓷材料）做成的吸盤(pán)為庫(kù)侖類(lèi)，而摻雜電介質(zhì)（如摻雜了氧化鈦(TO₂)等物質(zhì)的陶瓷材料，屬于半導(dǎo)體）做成的吸盤(pán)為迥斯熱背（JR）類(lèi)。兩者的吸附原理大差不差，都是利用接通直流電源后，在電極層形成的靜電場(chǎng)，使電介質(zhì)層表面產(chǎn)生與晶片表面電荷極性相反的電荷，而將晶片吸附。不過(guò)，JR類(lèi)靜電吸盤(pán)由于電介質(zhì)有一定導(dǎo)電性，除了會(huì)產(chǎn)生極化電荷，還有很大部分自由電荷，因此JR類(lèi)吸盤(pán)的吸力比庫(kù)侖類(lèi)吸盤(pán)大，可在較小的電壓下實(shí)現(xiàn)吸附，但在解吸階段，由于JR類(lèi)吸盤(pán)表面自由電荷的存在，除了關(guān)掉高壓直流電源，通常需要用反向的靜電壓來(lái)強(qiáng)制消除殘留電荷，然后才能使晶片解吸，在一定程度上增加了控制的難度和復(fù)雜性。

庫(kù)倫型和JR型靜電吸盤(pán)區(qū)別

靜電吸盤(pán)是如何生產(chǎn)的？

1、材料的選擇

對(duì)比金屬材料，陶瓷材料不僅耐磨不掉屑，避免了晶片污染的風(fēng)險(xiǎn)，還在電絕緣性方面有著先天的優(yōu)勢(shì)，因此靜電吸盤(pán)技術(shù)主要是以氧化鋁陶瓷或氮化鋁陶瓷作為主體材料。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于普通的硅晶圓加工，采用高純氧化鋁作為材料即可滿足需求，但對(duì)于碳化硅晶圓加工，則需要采用氮化鋁材質(zhì)的靜電吸盤(pán)。

來(lái)源：日本特殊陶業(yè)株式會(huì)社（NTK）

氮化鋁的導(dǎo)熱性能（理論上可達(dá)320W/(m·K)）、與電極材料熱膨脹系數(shù)的匹配度、絕緣性以及相關(guān)機(jī)械性能都要優(yōu)于氧化鋁，不僅可以在等離子鹵素真空氣氛環(huán)境下能持久運(yùn)行，承受半導(dǎo)體及微電子最苛刻的制程環(huán)境，還可以通過(guò)控制其體積電阻率，提供更穩(wěn)定充分的吸附力和更良好的溫度控制，有望逐漸對(duì)氧化鋁陶瓷的靜電卡盤(pán)實(shí)現(xiàn)替代，是未來(lái)靜電吸盤(pán)的主要發(fā)展方向。但在制備工藝上，由于氮化鋁熔點(diǎn)更高，原子自擴(kuò)散系數(shù)小，因此，純AlN陶瓷很難燒結(jié)致密化，往往需要燒結(jié)溫度高達(dá)1800℃以上，不僅對(duì)燒結(jié)設(shè)備要求較高，還需要選擇合適的燒結(jié)工藝、氣氛以及燒結(jié)助劑來(lái)提升燒結(jié)性能，工藝較復(fù)雜。

2、生產(chǎn)路線

由于靜電吸盤(pán)是在陶瓷圓盤(pán)中嵌入了至少一個(gè)電極，為了實(shí)現(xiàn)電極材料與陶瓷材料的一次性燒成，一般采用多層陶瓷共燒技術(shù)制備，包括流延、 切片、絲網(wǎng)印刷、疊片、熱壓、燒結(jié)等工序。

多層共燒陶瓷技術(shù)流程圖

①流延切片：

庫(kù)倫型靜電吸盤(pán)的電介質(zhì)層無(wú)摻雜導(dǎo)電材料，可將陶瓷粉料、溶劑、分散劑、粘結(jié)劑、增塑劑、燒結(jié)助劑等成分混合制備成穩(wěn)定漿料后，在流延機(jī)上經(jīng)刮刀涂覆、干燥、切片制得一定厚度的陶瓷生坯。而JR型靜電吸盤(pán)則還需另外添加一定的調(diào)阻劑（導(dǎo)電材料）將 J-R 層電阻至功能所需范圍，再進(jìn)行流延成型制備成生坯。

流延機(jī)

來(lái)源：王平.高純氧化鋁基板的制備要點(diǎn)與宇航應(yīng)用驗(yàn)證實(shí)踐.

②絲網(wǎng)印刷：

絲網(wǎng)印刷主要是用于電極層的制備。在印刷過(guò)程中，首先將導(dǎo)電漿料倒在絲網(wǎng)印版的一端，之后在絲網(wǎng)印刷機(jī)刮刀的作用下，導(dǎo)電漿料透過(guò)絲網(wǎng)印版的網(wǎng)孔處沉積到基底上，當(dāng)印刷刮刀刮過(guò)整個(gè)絲網(wǎng)印版并保證銀漿填滿絲網(wǎng)孔后，即可完成一個(gè)印刷流程。

③疊片熱壓：

將生瓷片按照需要的次序（基底層、電極層、電介質(zhì)層）及層數(shù)一次疊放好，之后在特定的溫度及壓力下使多層生瓷片連接在一起從而形成所需的完整生坯。需要注意的是，在層壓過(guò)程中，應(yīng)使產(chǎn)生的壓力均勻的分布在整個(gè)生坯表面，保證受壓后整個(gè)生坯收縮均勻。

④共燒：

最后將完整生坯放置于燒結(jié)爐中進(jìn)行一體化燒結(jié)。在此過(guò)程中，需要制定好適合的升降溫曲線，以確保燒結(jié)過(guò)程中的平整度及收縮率的控制。據(jù)了解，日本NGK在燒結(jié)過(guò)程中，可以將粉體燒結(jié)過(guò)程中的收縮率控制在10%左右，而國(guó)內(nèi)絕大部分廠家燒結(jié)的收縮率仍大于等于20%。

小結(jié)

目前全球半導(dǎo)體晶圓靜電吸盤(pán)市場(chǎng)由SHINKO（新光電氣）、TOTO、NGK、京瓷等日本企業(yè)高度壟斷，我國(guó)靜電吸盤(pán)行業(yè)發(fā)展時(shí)間較短，尚處于起步階段。當(dāng)前，除了需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)更高純度、更高性能的原料陶瓷粉以及更高效穩(wěn)定的生產(chǎn)工藝外，還需要考慮各種特定應(yīng)用場(chǎng)景的需求對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿足承載晶圓規(guī)格尺寸逐步增大、溫度均勻性控制需求的提升。

參考來(lái)源：

1、[1]牛晨旭. J-R型氮化鋁陶瓷靜電吸盤(pán)的設(shè)計(jì)與制造[D].華中科技大學(xué).

2、山云資本，山云筆記：半導(dǎo)體核心零部件必攻克的一關(guān)：靜電吸盤(pán)丨半導(dǎo)體小組；

3、 芯爵ChipLord，ETCH設(shè)備之靜電吸盤(pán)（ESC）介紹；

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