半导体晶圆卡盘（Wafer Chuck）是一种用于半导体制造过程中的重要工具，它承载和定位晶圆在加工过程中的关键角色, 是一种常见的固定晶圆的装置，也是半导体领域一种重要零部件耗材。用于固定晶圆以便进行工艺加工、测量、装配等操作（就是固定住晶圆，不让它乱动）。

亚投国际平台技术有限公司从2012年开始研发半导体晶圆卡盘，已有十多年的研发生产经验，在半导体行业有良好的口碑，根据方泰公司市场研究报告显示， 常见的半导体CHUCK可以分成三类：

一、静电卡盘（E-CHUCK）：主要用于真空环境下

二、真空卡盘：用于普通的非真空环境下+

三、伯努利 (Bernoulli)：这个多用于太阳能等领域

四、其它卡盘

CHUCK的工作原理

晶圆卡盘通过引入真空力、电磁力、静电吸附力、气流压力、机械夹持力来夹持和定位晶圆，晶圆卡盘Chuck通过各种吸附方式和夹持方式从而实现晶圆平整的放置在机台中，可以确保晶圆在加工过程中的稳定定位，以避免因晶圆移动而导致的加工误差，实现对晶圆的精确定位。

一、静电卡盘（Electrostatic Chuck, E-Chuck） 

静电卡盘是半导体制造设备中的关键部件，主要用于在真空或等离子体环境下固定晶圆（如硅片）。它利用静电力吸附晶圆，避免传统机械夹持或真空吸附带来的问题，如颗粒污染（particle）、晶圆边缘损伤（wafer edge uniformity）等。

静电卡盘工作原理： 类似于两块带电极板的电容器。  

卡盘本身 是一个电极，表面覆盖绝缘层（如陶瓷）。  此时晶圆 相当于另一个电极。  

当施加高电压（通常3000~4000V）时，晶圆背面和卡盘表面产生相反的电荷，形成静电吸附力，使晶圆牢牢固定。  

静电吸盘适用于真空环境或等离子体环境的超洁净晶圆片承载体，利用电容两带电极板的库伦引力（静电吸附原理）来固定wafer。

根据吸附方式和电极设计，静电卡盘主要分为两种：  

库仑型（Coulombic ESC）和约翰森拉贝克型（JR ESC）。

1）库伦型使用高绝缘陶瓷（如氧化铝）作为介电层； 吸附力适中，适用于大多数刻蚀和沉积工艺。  

库伦型静电吸盘与晶片接触的表面之介电层为高阻抗陶瓷材料。陶瓷层中夹有一层导电电极层，当电极被接通到高压直流电源后，介电质的表面会产生极化电荷，分布在晶片背面的电荷与分布在吸盘上面的电荷极性相反，晶片即会被吸盘吸住。这样wafer top side 无接触的chuck方式解决了机械卡盘和真空吸附的各种问题。

2）约翰森拉贝克型（JR ESC），使用半导体陶瓷（如掺杂氮化铝），有一定导电性；吸附力更强，适合高功率工艺（如离子注入）。  

当静电吸盘使用的介电层材料为半导体材料时，称为Johnsen-Rahbek 静电吸盘（JR ESC）。其介电质表面不仅有极化电荷，还有很大部分自由电荷，这是因为JR吸盘的介电质有一定导电性。

一般来说，JR吸盘的吸力比库伦型的大。

吸附过程示例：  

1. 晶圆放入腔室 → 施加高压（Clamp Voltage）吸附晶圆。  

2. 通入氦气（He） → 氦气填充晶圆和卡盘之间的微小间隙，帮助散热。  氦气作为良好的热传导介质，将wafer 上多余的热量导走（ESC内部有冷却介质循环流动）

3. 工艺完成 → 关闭电压，晶圆自动释放。  

静电卡盘的优势  ：

1.无接触固定 → 避免晶圆表面划伤或颗粒污染； 

2. 温度控制精准 → 氦气导热，确保晶圆温度均匀（±1℃以内）；  

3.适用于真空环境 → 可用于刻蚀、镀膜等半导体工艺；  

4.减少边缘损耗 → 晶圆利用率更高（边缘可用区域更大。

二、伯努利吸盘（Bernoulli Chuck）

伯努利吸盘是一种无接触式晶圆固定技术，利用高速气流产生的压力差来悬浮并固定晶圆。它基于伯努利原理（气流速度越快，压力越低），避免传统机械夹持带来的物理接触，适用于高精度加工场景。  

伯努利吸盘如何工作？  

高速气流喷射：吸盘表面设计有精密气孔，喷射高速气流。  

低压区形成：气流在晶圆和吸盘之间形成低压区，上方的大气压将晶圆“压”向吸盘，实现悬浮固定。  

类似气垫船：原理与气垫船的悬浮类似，通过气流支撑物体，避免直接摩擦。 

工作流程示例：  

1. 气流启动 → 高速气流从吸盘喷出，晶圆被“托起”;  

2. 稳定悬浮 → 气压差使晶圆保持固定，同时不与吸盘接触;  

3. 加工完成 → 关闭气流，晶圆平稳落下。  

伯努利吸盘的优势  

1.非接触式固定 :避免晶圆表面划伤，适合高精度光学镜片、超薄晶圆加工;  

2.快速装卸: 无需机械夹持，晶圆取放更高效，提升生产效率。  

3.超薄晶圆友好:气流均匀支撑，减少传统夹持导致的变形风险。  

 伯努利吸盘的局限性  

1.气流控制要求高 :需精密调节气流速度、压力，微小波动可能影响稳定性。  

2.能耗较高 :维持高速气流需持续供能，运行成本较高。  

3.设备复杂 :需搭配专用气源、传感器和控制系统，维护难度较大。  

三、机械夹持卡盘 Mechanical Chuck

机械夹持式卡盘是一种传统的晶圆固定方式，通过分布在卡盘边缘的可调节夹爪、弹簧销等机械结构，直接夹持晶圆边缘实现固定。这种方式在早期半导体制造中广泛使用，但逐渐被更先进的非接触式技术（如静电卡盘）取代。  

机械夹持式卡盘如何工作？  

1.边缘接触固定：卡盘边缘的夹爪或销钉通过弹簧或机械调节，向晶圆边缘施加压力；  

2.适应不同尺寸：夹爪位置可调，兼容不同直径的晶圆（如4英寸、6英寸等）；  

3.纯机械结构：无需电力或真空系统，依赖物理力固定。  

典型工作流程：  

1. 晶圆放置：机械臂将晶圆放到卡盘中心。  

2. 夹爪闭合 ： 弹簧或马达驱动夹爪夹紧晶圆边缘。  

3. 加工完成 ：夹爪松开，晶圆被取出。  

机械夹持式卡盘的优点  

1.结构简单 ：无复杂电气系统，维护成本低。  

2.夹紧力可调 ：通过弹簧或机械设计适应不同晶圆厚度。  

3.适用部分工艺 ：如晶圆切割、简单测试等低精度需求场景。  

 机械夹持式卡盘的缺点：  

1.边缘损伤风险 ：夹爪可能划伤晶圆边缘，影响良率。  

2.定位精度低：难以满足纳米级工艺要求（如光刻、刻蚀）。  

3.不适用大晶圆 ：夹紧力分布不均，易导致12英寸（300mm）晶圆变形。  

4.颗粒污染 ：机械运动可能产生微粒，污染洁净环境。  

四、其他CHUCK

热控卡盘 HOT-CHUCK 

可精确控制温度(加热/冷却)，需要热处理或恒温控制的工艺。

真空金属卡盘 VACUUM-CHUCK  

真空式wafer chuck借助内部管道网络抽取空气，在吸盘表面和晶圆之间形成负压差，从而吸引住待加工件底部平面部分，将晶圆固定在卡盘上。当真空泵启动时，卡盘内部的空气被抽出，形成一个相对真空的环境，外部大气压将晶圆紧紧压在卡盘表面。卡盘表面通常设计有微小的气孔或通道，以确保真空能够均匀地分布在晶圆与卡盘的接触面上。

电磁卡盘

电磁吸盘，是一种基于电磁原理工作的装置。其工作原理是利用电流通过线圈产生磁场，通过磁场与永磁体或铁质物体之间相互作用力，实现产品吸附。

根据方泰公司的市场部信息，2023年全球半导体静电卡盘市场规模已达16.98亿美元。该机构预测，到2030年这一市场规模将增长至24.6亿美元，2024-2030年期间的复合年增长率（CAGR）为5.3%。从区域市场来看，中国市场的增长速度显著高于全球平均水平。

当前全球半导体静电卡盘市场的竞争格局呈现高度集中态势。行业前三甲——应用材料（Applied Materials）、泛林集团（Lam Research）和新光电气（SHINKO）合计占据约85%的市场份额。

从区域分布来看，亚太地区是最大的区域市场，占有75%的市场份额；北美和欧洲市场分别占19%和5%。

就产品类型而言，库仑型静电卡盘占据主导地位，市场份额达68%；在下游应用方面，300毫米晶圆生产线是最大的应用领域，占比高达76%。

半导体静电卡盘行业长期以来由美国/日本厂商主导，同时国际设备原厂也提供配套产品。近年来，在国产化政策推动下，国内涌现出多家从事静电卡盘研发的企业。

然而需要指出的是，国产产品在技术成熟度和产业规模方面仍处于发展初期，与国际领先水平存在明显差距。但考虑到该领域巨大的发展潜力和进口替代空间，目前已成为一级市场重点关注的赛道之一。