静电卡盘是一种适用于真空环境或等离子体环境的超洁净晶圆片承载体，它利用静电吸附原理进行超薄晶圆片的平整均匀夹持，该产品广泛应用于 PVD、PECVD、ETCH、EUVL、离子注入等高端半导体制造装备。

静电卡盘主要由电介质吸附层、电极层、基底层三部分组成，都以层状结构叠合在静电卡盘内，自表层到底座依次为电介质吸附层、电极层和基底层。基座部分主要承担着散热与固定的作用，一般为陶瓷材料制成，需保证其良好的导热性与硬度，通常选择氧化铝或氮化铝。

（1）陶瓷静电卡盘本身是以氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷作为主体材料，但同时还需加入其他导电物质使得其总体电阻率满足功能性要求，这就需要对陶瓷材料的导热性，耐磨性及硬度指标非常了解，才能得到满足半导体制造技术指标的基础原材料。

（2）陶瓷内部有机加工构造精度要求高，陶瓷层和金属底座结合要满足均匀性和高强度的要求，因此对于静电吸盘的结构设计和加工，需要精密机加工方面的技能和知识。

（3）静电吸盘表面处理后要达到0.01微米左右的涂层，同时要耐高温，耐磨，使用寿命大于三年以上，因此，对表面处理技术的掌握与应用的要求也比较高。

目前现有的静电卡盘通常使用多层陶瓷封装工艺进行制备，将印刷有电极的多层生瓷片层压在一起，进行高温共烧制成陶瓷圆盘(内置电极)，烧结陶瓷ESC通常由含有埋植其内的至少一个电极层的陶瓷圆盘构成。再与铝基座等部件粘接，经过表面处理后最终得到静电卡盘。

静电卡盘生产流程

涉及的主要生产设备包含：球磨机、真空脱泡机、流延机、裁片机、整平机、丝网印刷机、叠层机、烧结炉、平面磨抛设备、CNC设备、激光打孔机、喷砂设备、清洗设备、视觉检测设备、表面粗糙度测试仪、超声波检测设备、检漏仪等。

涉及的主要生产原料及耗材包含：氧化铝陶瓷、氮化铝陶瓷、导电浆料(钨浆)、冷却剂、PVB粘接剂、分散剂、增塑剂、胶粘剂、铝基座、电极端子、清洗剂等。

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。

据江丰电子披露的资料显示，静电卡盘使用寿命通常不超过2年。根据部分行业统计，半导体设备用陶瓷零件的更换周期通常为6~12个月，需要定期更换，属于典型的消耗刚需产品。

静电卡盘在晶圆厂零部件采购金额中占比较高。据芯谋研究统计，2020年我国晶圆厂采购的静电卡盘金额占所有采购零部件产品的9%。

静电卡盘有两种模型：Coulomb力模型和J-R力模型。

J-R型静电卡盘性能优于库伦型静电卡盘，其优点包括对于给定电压具有更强的吸附力或对于给定的吸附力所需的较低的电压、更短的脱附时间以及静电卡盘制造的宽松材料和加工标准。J-R型静电卡盘在半导体生产过程中的许多应用中已经变得广泛。

然而，J-R型静电卡盘性能在很大程度上取决于晶圆条件，并且对晶圆条件更敏感。这种晶圆依赖性包括：

（1）晶圆背面粗糙度，这决定了冷却气体空间；

（2）晶片背面颗粒，如果颗粒尺寸与间隙空间相当，则会改变吸附力；

（3）晶片背面电介质层，其改变吸附力并涉及脱附问题；

（4）晶片掺杂水平，这也会改变夹吸附力并影响吸附可靠性。

一般对晶片温度控制要求很高，如刻蚀设备选用J-R型静电卡盘，其电介质通常是掺杂的氮化铝陶瓷。掺杂电介质层在高压下形成离子迁移通道，电荷在晶圆与卡盘的微观间隙（粗糙度1-5μm）聚集，形成强电场，吸附力可达0.5-1.2N/cm²，是库仑型上限的3倍以上。

库仑型静电卡盘的主要特点是其介电层材料的体积电阻率大于10¹⁶Ω·cm，属于绝缘材料。在静电卡盘工作时，电荷累积在电极上，通过电极与晶圆之间的库仑力来吸附晶圆。在一些吸附力和温控要求极高的半导体设备中，库仑型静电卡盘在吸附力及导热率虽不及J-R型静电卡盘，但库伦型在响应速度上通常更具有优势，它更适合洁净、高精密或者真空环境下固定工件。

来源：

粉体大数据

罗钱：氮化铝陶瓷电性能调控及J-R型静电卡盘的制备研究

孙诗壮等：库仑型静电卡盘吸附力受电极结构及晶圆氧化层影响的研究