半导体零部件系列研究之静电卡盘：静电卡盘是半导体关键零部件，技术壁垒高

2023年8月3日 行业研究 静电卡盘是半导体关键零部件，技术壁垒高 ——半导体零部件系列研究之静电卡盘 要点 静电卡盘是一种通过静电力将工件吸附固定在卡盘表面的夹具。相较于传统的机械卡盘与真空卡盘，静电卡盘由于对工件损伤小、精度高等特点，被广泛运用于精密加工的场景。 静电卡盘对多个半导体制造工艺的良率提升起重要作用。现代半导体工艺中需要保证晶圆的平稳固定。静电卡盘由于吸附均匀、污染小、可作用于真空环境的特点在工艺良率的提升方面优势明显。同时半导体工艺中对晶圆温度控制是影响良率的关键，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。在静电卡盘实际工作过程中，同一温控区内的晶圆实际温度可能会有不同。因此可通过增加温控区的方式，对每一温控区进行单独温度控制，从而实现晶圆整体的均热性，提高半导体工艺的良率。 静电卡盘市场稳步增长。据珂玛科技公告，静电卡盘占刻蚀机原材料采购成本的12.7%。受益于半导体设备市场规模持续扩张，静电卡盘市场规模持续增长。据QYResearch数据，2017-2021年全球静电卡盘市场销售额从15.5亿美元增长至17.1亿美元，CAGR为2.5%。QYResearch预计2022-2028年全球静电卡盘市场销售额将由17.9亿美元增长至24.1亿美元，CAGR为5.1%。 全球静电卡盘市场由美系、日系制造商高度垄断。美国的静电卡盘制造商包括AppliedMaterials与LamResearch等，日本的静电卡盘制造商包括Shinko、TOTO、NTK、CreativeTechnologyCorporation等。据QYResearch数据，AppliedMaterials、LamResearch与Shinko分别占据了2021年全球静电卡盘市场销售额前三位，各自占比分别为43.86%/31.42%/10.20%。 国内厂商处于起步阶段，国产替代需求迫切。目前已有包括华卓精科、海拓创新、中瓷电子、富创精密、珂玛科技等国家国内企业开始了静电卡盘相关的研发生产工作。其中华卓精科已开发出12寸PVD氮化铝静电卡盘，在一定程度上破除了海外厂商在静电卡盘领域的长期垄断局面，目前该产品已实现小规模量产。 投资建议：建议关注已在静电卡盘国产化替代方面取得进展的华卓精科、中瓷电子、珂玛科技。 华卓精科：12寸PVD氮化铝静电卡盘已实现小规模出货，目前已向北方华创等客户供货，在一定程度上破除了海外厂商在静电卡盘领域的长期垄断局面。 中瓷电子：建立了完善的精密陶瓷零部件制造工艺平台，实现了加热盘和静电卡盘等技术难度高的精密零部件国产化，解决了国产半导体设备行业“卡脖子”问题。 珂玛科技：8寸刻蚀机用静电卡盘正处于客户测试阶段，相关技术指标已接近全球主流竞争对手水平。 风险分析：产品研发进度不及预期的风险；下游需求不及预期的风险；国产化替代不及预期的风险。 机械行业 买入（维持） 作者分析师：杨绍辉 执业证书编号：S0930522060001 021-52523860 yangshaohui1@ebscn.com 联系人：李佳琦 lijiaqi@ebscn.com 行业与沪深300指数对比图 30% 10% -10% -30% 22/0622/0922/1223/03 机械行业沪深300 资料来源：Wind 相关研报半导体制程设备核心零部件射频电源，国产验证与替代加速 ——半导体零部件之射频电源行业动态报告 目录 1、静电卡盘：保证精度与良率的重要部件4 1.1、半导体工艺固定晶圆的“无形之手”4 1.2、静电卡盘是半导体工艺良率提升的关键5 1.3、静电卡盘的关键与难点是温度控制6 2、静电卡盘市场空间广阔，美日垄断严重7 2.1、半导体设备规模持续扩张，静电卡盘前景可观7 2.2、全球静电卡盘市场被美日厂商垄断，中国市场垄断程度更高9 2.3、国内厂商处于起步阶段，国产替代需求迫切10 3、重点公司分析11 3.1、华卓精科：12寸PVD氮化铝静电卡盘打破垄断11 3.2、中瓷电子（003031.SZ）：布局精密陶瓷零部件领域13 3.3、珂玛科技（IPO申请中）：国内半导体陶瓷材料零部件龙头企业13 4、风险分析14 图目录 图1：静电卡盘结构示意图4 图2：静电卡盘工作原理示意图5 图3：库仑型静电卡盘工作原理5 图4：J-R型静电卡盘工作原理5 图5：干法刻蚀工艺中静电卡盘工作原理6 图6：烧结助剂作用示意图7 图7：中国大陆半导体设备市场规模占比整体呈上升趋势8 图8：中国大陆半导体设备市场增速整体高于全球水平8 图9：2020年中国晶圆厂零部件采购金额占比8 图10：静电卡盘所属的机械类零部件在核心原材料中采购额占比最高9 图11：2017-2028E全球静电卡盘市场销售额及增速9 图12：2021年全球静电卡盘市场格局（销售额口径）10 图13：华卓精科2018-2022H1年营收及增速12 图14：华卓精科2018-2022H1年静电卡盘营收占比12 图15：中瓷电子2016-2022年营收及增速13 图16：中瓷电子2022年各业务营收占比13 图17：2019-2022年珂玛科技营收及其增速14 图18：2019-2022年珂玛科技两大业务营收及其增速14 表目录 表1：卡盘分类及各自特点4 表2：两种类型静电卡盘对比5 表3：不同材料静电卡盘性能参数对比7 表4：全球主要静电卡盘生产厂商9 表5：国内企业静电卡盘布局11 表6：公司静电卡盘主要客户12 表7：华卓精科静电卡盘产品与NTK对比12 表8：珂玛科技静电卡盘产品与NTK对比14 1、静电卡盘：保证精度与良率的重要部件 1.1、半导体工艺固定晶圆的“无形之手” 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、静电卡盘等。其中静电卡盘由于其对工件损伤小、精度高等特点，被广泛运用于半导体制造工艺等需要精密加工的场景。 利用机械夹具夹紧 工件 结构简单、成本低精度较低、可能对 廉、夹持力大 工件产生损伤 大型工件加工 工作原理图片优点缺点适用场景 表1：卡盘分类及各自特点 夹力较小，无法工 利用真空吸盘吸附 工件 对工件损伤较小 作于真空环境且 无法对硅片温度进行控制 轻薄工件的加工 利用静电力对工件 进行吸附 对工件损伤小、精 度高 结构复杂、成本 高、片间吸附稳定性弱、脱附时间长 半导体等高精度 加工场景 资料来源：中国地质大学《基于IC装备中的静电卡盘静电力仿真及试验研究》，光大证券研究所 静电卡盘（ElectrostaticChuck，简称E-Chuck），是利用静电吸附原理将待加工晶圆吸附在其表面，并且可以通过背吹气体来控制晶圆表面温度的设备，其 主要由介电层、电极层、基底层三大部分组成。这三个部分以层状结构由表向里堆叠而成，内部还镶嵌有电极柱、气体通道、粘结材料等部分。 图1：静电卡盘结构示意图 资料来源：Shinko官网，光大证券研究所 静电卡盘通过“静电吸附”原理夹持工件。当原本内部电荷均匀分布的工件接近通电的静电卡盘后，其内部正负电荷将分别移动至与其极性相反的电极一端。通过电荷异性相吸产生的库仑力，工件将牢牢吸附于静电卡盘的表面。 图2：静电卡盘工作原理示意图 资料来源：Matsusada官网，光大证券研究所 按照吸附原理的不同，静电卡盘可分为库仑型（Coulombtype）与J-R型 （Johnsen-Rahbecktype）。其中库仑型静电卡盘使用绝缘材料作为介电层， 其内没有可自由移动的电子，通过极化电荷在晶圆与电极间形成静电吸引力。其 优点是静电力残余力易消除，缺点是静电力较小。J-R型静电卡盘的介电层具有导电性，因此当电极通电后介电层的负电荷将聚集在介电层下表面，正电荷聚集在介电层上表面，并在接触面形成无数微小电场，从而对工件进行吸附。其优点是静电吸附力大，缺点是对卡盘表面粗糙度比较敏感，且不易脱附。 图3：库仑型静电卡盘工作原理图4：J-R型静电卡盘工作原理 资料来源：华中科技大学《J-R型氮化铝陶瓷静电吸盘的设计与制造》，光大证券研究所资料来源：华中科技大学《J-R型氮化铝陶瓷静电吸盘的设计与制造》，光大证券研究所 类型特点优点缺点 表2：两种类型静电卡盘对比 库仑型介电层为绝缘材料（电阻率ρ＞1014静电残余力易消除静电力较小，无法满足所 Ω·cm） J-R型介电层具有导电性（电阻率ρ=109Ω·cm~1013Ω·cm） 有工作场合 静电吸附力大对卡盘表面粗糙度等条件比较敏感，且不易脱附 资料来源：中国地质大学《基于IC装备中的静电卡盘静电力仿真及试验研究》，光大证券研究所 1.2、静电卡盘是半导体工艺良率提升的关键 静电卡盘在半导体制造工艺的多个环节扮演着重要作用。现代半导体工艺中包含晶圆的清洗、氧化、光刻、刻蚀、沉积等环节，每个环节中又涉及到多种工序，这其中离子掺杂、离子注入、物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）等工序均需要保证晶圆的平稳固定，因此都需要静电卡盘来进行夹持。 静电卡盘在半导体工艺中至关重要。在半导体制造工艺中晶圆的平整度与洁净度对整个半导体制造的精度与良率至关重要，相较于传统的机械卡盘与真空卡盘，静电卡盘有以下几个优势： 1）吸附力均匀：传统的机械卡盘与真空卡盘由于夹持方法原因会使晶圆产生翘曲或变形，而静电卡盘由于吸附作用均匀分布在晶圆表面，因此可以保证晶圆具有较好的平整度，从而具有更好的加工精度。 2）污染小：传统的机械卡盘与真空卡盘在工作中容易受到微小颗粒的污染，从而导致晶圆变形或表面划伤。静电卡盘对晶圆的污染较小，因此可保证晶圆加工过程中具有较高的良率。 3）可作用于真空环境：半导体制造工艺中离子注入、化学气相沉积（CVD）等环节需要在真空环境下进行，传统的真空卡盘由于在真空环境中晶圆内外表面无法产生压强差，因此无法对晶圆实现吸附。静电卡盘由于利用静电力进行吸附，因此在真空环境下依然可以保证较好的吸附性能。 1.3、静电卡盘的关键与难点是温度控制 半导体工艺中对晶圆的温度控制至关重要。以干法刻蚀为例，干法刻蚀需要将晶圆控制在100℃到-70℃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。随着新一代半导体技术的发展，低温刻蚀与沉积等工艺通常需要晶圆达到更低的温度，因此对静电卡盘的散热性能提出了更高的要求。通常来说静电卡盘对晶圆的温度控制主要依靠以下两种途径：1）增加晶圆表面与静电卡盘表面间的气体对流以散热（通常半导体工艺使用的冷却气体为氦气）；2）通过静电卡盘表面的热传导散热。 图5：干法刻蚀工艺中静电卡盘工作原理 资料来源：汤之上隆《半导体停产危机，人类文明会结束吗？》，光大证券研究所 氮化铝陶瓷材质的静电卡盘导热性能更好，是未来的发展方向。通常静电卡盘表面材料分为氧化铝陶瓷与氮化铝陶瓷两种，其中氧化铝陶瓷由于其工艺较为简单，因此在目前的静电卡盘市场中应用最为广泛。但随着半导体工艺对静电卡盘散热性能的要求不断提高，导热性能更好的氮化铝陶瓷优势逐渐显现。相较于主流的氧化铝陶瓷，氮化铝陶瓷拥有更好的导热性能、热膨胀系数、机械性能、绝缘性，因此更适合作为半导体工艺的静电卡盘材料。 氮化铝陶瓷烧结难度较高，工艺较复杂。由于氮化铝的特殊性（其属于共价化合物，自扩散系数小），纯净的氮化铝粉末在通常的烧结温度下很难烧结得到致密的组织，从而会影响静电卡盘的导热性能。目前主要的解决方案是通过在氮化铝粉末烧结时加入某些烧结助剂（如CaO、Y2O3等）促进氮化铝的烧结作用，从 而提高氮化铝陶瓷的导热性。随着氮化铝陶瓷烧结工艺的不断进步，未来氮化铝陶瓷的静电卡盘有望逐渐对氧化铝陶瓷的静电卡盘实现替代。 表3：不同材料静电卡盘性能参数对比 材料 热导率（W/m