2月5日消息，據(jù)《日經(jīng)新聞》報(bào)道，全球第三大陶瓷衛(wèi)浴產(chǎn)品制造商——日本TOTO通過利用其在陶瓷材料領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)，已經(jīng)在半導(dǎo)體制造所需的“靜電卡盤”（Electrostatic Chucks，或稱E-CHUCK、ESC）市場取得了成功。
報(bào)道稱，TOTO 與半導(dǎo)體相關(guān)的業(yè)務(wù)最早可追溯至1980年代，當(dāng)時(shí)TOTO就有為半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)開發(fā)高性能精密陶瓷產(chǎn)品，其中最主要的產(chǎn)品就是“靜電卡盤”。然而，該業(yè)務(wù)多年無利可圖，但隨著近年來半導(dǎo)體市場的蓬勃發(fā)展，該業(yè)務(wù)的利潤在2022財(cái)年開始大幅增長，并廣泛應(yīng)用在先進(jìn)半導(dǎo)體生產(chǎn)當(dāng)中。
根據(jù)TOTO公布的2024財(cái)年前三季（2024年4月-12月）財(cái)報(bào)顯示，前三季TOTO的包括半導(dǎo)體業(yè)務(wù)在內(nèi)的“新領(lǐng)域”業(yè)務(wù)營收達(dá)到了344億日元（約合2.25億美元或16.36億元人民幣），同比增長31.8%，營業(yè)利潤達(dá)142億日元（約合0.93億美元或6.75億元人民幣），同比暴漲84.4%。
TOTO的“新領(lǐng)域”業(yè)務(wù)主要包括：陶瓷業(yè)務(wù)和環(huán)境建材業(yè)務(wù)。陶瓷業(yè)務(wù)主要是指以陶瓷組件為基礎(chǔ)，如陶瓷半導(dǎo)體、光通訊設(shè)備等。而環(huán)境建材業(yè)務(wù)主要是生產(chǎn)一些陶板、鏡片等。其中，以靜電卡盤為代表的與半導(dǎo)體相關(guān)的陶瓷業(yè)務(wù)近年來成為了“新領(lǐng)域”業(yè)務(wù)的主要營收及利潤貢獻(xiàn)來源。
TOTO預(yù)計(jì)，其半導(dǎo)體業(yè)務(wù)今年的營業(yè)利潤將超過 1 億美元。
什么是靜電卡盤？
在很多的半導(dǎo)體制造流程中，通常需要卡盤來對(duì)晶圓進(jìn)行固定，以便進(jìn)行加工、測(cè)量、裝配等操作。卡盤可以根據(jù)其工作原理、結(jié)構(gòu)形式、夾緊方式等方面的不同，分為多種類型，常見的卡盤類型包括：機(jī)械卡盤、真空卡盤、靜電卡盤等。其中靜電卡盤由于其對(duì)工件損傷小、精度高等特點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用于半導(dǎo)體制造工藝等需要精密加工的場景。
具體來說，靜電卡盤是利用靜電吸附原理將待加工晶圓吸附在其表面，并且可以通過背吹氣體來控制晶圓表面溫度的部件。靜電卡盤可適用于真空及等離子體工況環(huán)境的超潔凈晶圓承載體，在半導(dǎo)體制造中是薄膜設(shè)備、刻蝕機(jī)、離子注入機(jī)、量測(cè)設(shè)備等高端裝備的核心部件。
△當(dāng)原本內(nèi)部電荷均勻分布的工件接近通電的靜電卡盤后，其內(nèi)部正負(fù)電荷將分別移動(dòng)至與其極性相反的電極一端。通過電荷異性相吸產(chǎn)生的庫侖力，工件將牢牢吸附于靜電卡盤的表面。按照吸附原理的不同，靜電卡盤可分為庫侖型（Coulomb type）與 J-R 型（Johnsen-Rahbeck type）。
現(xiàn)代半導(dǎo)體制造流程中包含晶圓的光刻、清洗、氧化、刻蝕、薄膜沉積等眾多的環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)中又涉及到多種工序，這其中離子摻雜、離子注入、物理氣相沉積（PVD）、化學(xué)氣相沉積（CVD）等工序均需要保證晶圓的平穩(wěn)固定并確保最低程度的污染，因此大都需要靜電卡盤來進(jìn)行固定。
雖然深紫外光（DUV）光刻并未用到靜電卡盤，因?yàn)镈UV光刻是在常壓或浸沒式液體環(huán)境下進(jìn)行，所以通過晶圓下方的真空系統(tǒng)即可維持晶圓的平整度與固定，但是EUV光刻則有所不同，其采用的是波長極短的13.5nm光源，非常容易被吸收，因此必須在高真空環(huán)境下運(yùn)行，為避免EUV光線被吸收，芯片制造商也選擇采用靜電卡盤來取代真空吸盤，因?yàn)殪o電卡盤更適用于這種環(huán)境。此外，靜電卡盤能提供更穩(wěn)定的吸附力，降低變形程度，提升圖層對(duì)準(zhǔn)（Overlay）及臨界尺寸（Critical Dimension，CD）控制的精度。
通常靜電卡盤表面材料分為氧化鋁陶瓷與氮化鋁陶瓷兩種，其中氧化鋁陶瓷由于其工藝較為簡單，因此在目前的靜電卡盤市場中應(yīng)用最為廣泛。但隨著半導(dǎo)體工藝對(duì)靜電卡盤散熱性能的要求不斷提高，導(dǎo)熱性能更好的氮化鋁陶瓷優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)。相較于主流的氧化鋁陶瓷，氮化鋁陶瓷擁有更好的導(dǎo)熱性能、熱膨脹系數(shù)、機(jī)械性能、絕緣性，因此更適合作為半導(dǎo)體工藝的靜電卡盤材料。
由于氮化鋁的特殊性（其屬于共價(jià)化合物，自擴(kuò)散系數(shù)小），純凈的氮化鋁粉末在通常的燒結(jié)溫度下很難燒結(jié)得到致密的組織，從而會(huì)影響靜電卡盤的導(dǎo)熱性能。目前主要的解決方案是通過在氮化鋁粉末燒結(jié)時(shí)加入某些燒結(jié)助劑（如 CaO、Y2O3 等）促進(jìn)氮化鋁的燒結(jié)作用，從而提高氮化鋁陶瓷的導(dǎo)熱性。隨著氮化鋁陶瓷燒結(jié)工藝的不斷進(jìn)步，未來氮化鋁陶瓷的靜電卡盤有望逐漸對(duì)氧化鋁陶瓷的靜電卡盤實(shí)現(xiàn)替代。
靜電卡盤市場格局：美國及日本廠商壟斷
靜電卡盤是半導(dǎo)體制造工藝設(shè)備中價(jià)值量占比相對(duì)較高的核心零部件。據(jù)拓荊科技招股說明書顯示，2019 年至 2021Q1-Q3 靜電卡盤所屬的機(jī)械類零部件占拓荊科技核心原材料采購額比重維持在 25%以上，且一直處于所有零部件大類采購額比重的*位。機(jī)械類零部件主要包括靜電卡盤、加熱盤、腔體等，其中靜電卡盤的價(jià)值量相對(duì)較高。據(jù)珂瑪科技公告，靜電卡盤占刻蝕機(jī)原材料采購成本的12.7%。
目前，全球靜電卡盤市場主要被美日韓等企業(yè)所壟斷，主要供應(yīng)商包括美國應(yīng)用材料（AMAT）、泛林集團(tuán)（Lam Research），日本新光電氣（Shinko Electric Industries）、TOTO、日本陶瓷綜合制造商（NTK CERATEC）、京瓷、日本礙子，韓國的MiCo、AEGISCO、KSM、LK ENGINEERING等公司。據(jù) QYResearch 數(shù)據(jù)，應(yīng)用材料、泛林集團(tuán)、Shinko 分別占據(jù)了 2021 年全球靜電卡盤市場銷售額前三位，市場份額分別為43.86%、31.42%、10.20%。
不過，需要指出的是，日韓企業(yè)靜電卡盤基本采取的是單獨(dú)售賣的銷售模式，而美國的靜電卡盤企業(yè)通常都是綜合性的半導(dǎo)體設(shè)備制造商，他們通過將靜電卡盤與所生產(chǎn)的 PVD、CVD 等半導(dǎo)體設(shè)備整機(jī)配套售賣的方式將靜電卡盤銷售至下游客戶。同時(shí)由于靜電卡盤使用壽命通常不超過兩年，屬于消耗品，因此對(duì)靜電卡盤的替換也將貢獻(xiàn)可觀的銷售收入。
中國本土的靜電卡盤供應(yīng)商主要有瑞耘科技廣東海拓創(chuàng)新、君原電子、華卓精科、蘇州珂瑪科技、中瓷電子和中山思考電子，但整體市場份額都非常小。值得一提的是，2025年1月17日，江豐電子與KSTEINC.簽署了《關(guān)于靜電吸盤項(xiàng)目之合作框架協(xié)議》。江豐電子將從KSTE引進(jìn)約定范圍的靜電卡盤產(chǎn)品所需的全部生產(chǎn)技術(shù)并采購相關(guān)生產(chǎn)線，最終實(shí)現(xiàn)公司在中國大陸地區(qū)獨(dú)立量產(chǎn)。KSTE負(fù)責(zé)向江豐電子提供全流程技術(shù)支持，并負(fù)責(zé)有關(guān)生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)和交付。
從市場規(guī)模來看，根據(jù)QYResearch的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，2022-2028 年全球靜電卡盤市場銷售額將由 17.9 億美元增長至 24.1 億美元，年復(fù)合增長率為 5.1%。
不過，根據(jù)珂瑪科技招股書顯示，2023年全球靜電卡盤市場規(guī)模保守估計(jì)為36~42億元，其中中國大陸市場為7~8億元。
TOTO如何改進(jìn)靜電卡盤技術(shù)？
從技術(shù)方面來看，靜電卡盤所使用的高性能陶瓷雖然堅(jiān)硬，但容易變脆，所以陶瓷材料必須兼具強(qiáng)度與抗裂性，而TOTO運(yùn)用長年制造馬桶及陶瓷衛(wèi)浴產(chǎn)品所需的陶瓷成型與燒成技術(shù)，可以制造出抗裂的均質(zhì)陶瓷材料。
據(jù)了解，TOTO采用了高耐等離子體性 Al2O3 材料實(shí)現(xiàn)了靜電卡盤產(chǎn)品的高耐用性，并實(shí)現(xiàn)了低背面顆粒污染。TOTO 的靜電卡盤還可以根據(jù)客戶的要求控制晶圓溫度。這些都?xì)w功于TOTO在陶瓷材料領(lǐng)域多年的設(shè)計(jì)和量產(chǎn)制造能力。
△等離子體照射檢查示例：TOTO 的材料 （AP900R） 比典型的高純度 Al2O3（純度 99.9%）具有更高的耐等離子體性。
當(dāng)TOTO最初進(jìn)入半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)時(shí)，曾一度面臨重大挑戰(zhàn)。該公司最早供應(yīng)結(jié)構(gòu)性零部件，但銷售表現(xiàn)不佳，后來則在靜電卡盤領(lǐng)域取得了一定成功，但由于良率過低，導(dǎo)致產(chǎn)能無法滿足市場需求。
TOTO曾使用高精密顯微鏡檢查馬桶表面，找出并修正微小瑕疵，防止污垢附著，以提升品質(zhì)。當(dāng)TOTO的靜電卡盤產(chǎn)品出現(xiàn)良率過低時(shí)，其將相同技術(shù)應(yīng)用于檢測(cè)靜電卡盤，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品上存在有化妝品粉末等異物顆粒影響了良率，由于當(dāng)時(shí)大部分的生產(chǎn)工作仍依賴于人工，加上無塵室標(biāo)準(zhǔn)較低，所以最終影響了產(chǎn)品品質(zhì)。
最終，TOTO通過其在陶瓷衛(wèi)浴業(yè)務(wù)上的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，成功找出了問題所在，并改進(jìn)了這些存在問題的環(huán)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)了良率的大幅提升。
為了鞏固自身的市場地位，TOTO在陶瓷材料制造方面投入了大量資金。2020年，TOTO斥資118億日元在日本大分興建陶瓷生產(chǎn)設(shè)施。在2020年4月到2024年4月期間，該公司的陶瓷生產(chǎn)員工增加了約20%。根據(jù)TOTO總裁Noriaki Kiyota去年10月電話會(huì)議的說法，TOTO還正在考慮建新工廠的計(jì)劃。
目前，TOTO將目光投向切割和封裝等下游制程，如3D堆疊技術(shù)要求基板材料采用新技術(shù)。TOTO 陶瓷業(yè)務(wù)企劃部經(jīng)理Junji Kameshima指出，未來陶瓷將在半導(dǎo)體后段制程設(shè)備中被應(yīng)用到更多地方。
在2024財(cái)年，TOTO 預(yù)計(jì)其與半導(dǎo)體相關(guān)的陶瓷部門的營業(yè)利潤將達(dá)到200億日元（約1.3億美元），營業(yè)利潤率接近40%，遠(yuǎn)高于公司整體7%營業(yè)利潤的預(yù)期。TOTO目標(biāo)是在2026財(cái)年該部門的營業(yè)利潤達(dá)到250億日元，并擴(kuò)大產(chǎn)品組合以幫助穩(wěn)定該業(yè)務(wù)。
目前，TOTO 已將住宅設(shè)備業(yè)務(wù)和中國業(yè)務(wù)的利潤重新投資于陶瓷技術(shù)中，隨著日本住房市場萎縮、中國經(jīng)濟(jì)放緩之際，AI、數(shù)據(jù)中心與電子設(shè)備需求激增，推動(dòng)TOTO在半導(dǎo)體領(lǐng)域的投資增加。
TOTO總裁Kiyota也強(qiáng)調(diào)，即使有起有落，半導(dǎo)體業(yè)務(wù)毫無疑問會(huì)持續(xù)成倍成長。
編輯：芯智訊-浪客劍
