2月5日消息，據《日經新聞》報道，全球第三大陶瓷衛浴產品制造商——日本TOTO通過利用其在陶瓷材料領域的專業知識，已經在半導體制造所需的“靜電卡盤”（Electrostatic Chucks，或稱E-CHUCK、ESC）市場取得了成功。
報道稱，TOTO 與半導體相關的業務最早可追溯至1980年代，當時TOTO就有為半導體產業開發高性能精密陶瓷產品，其中最主要的產品就是“靜電卡盤”。然而，該業務多年無利可圖，但隨著近年來半導體市場的蓬勃發展，該業務的利潤在2022財年開始大幅增長，并廣泛應用在先進半導體生產當中。
根據TOTO公布的2024財年前三季（2024年4月-12月）財報顯示，前三季TOTO的包括半導體業務在內的“新領域”業務營收達到了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%，營業利潤達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“新領域”業務主要包括：陶瓷業務和環境建材業務。陶瓷業務主要是指以陶瓷組件為基礎，如陶瓷半導體、光通訊設備等。而環境建材業務主要是生產一些陶板、鏡片等。其中，以靜電卡盤為代表的與半導體相關的陶瓷業務近年來成為了“新領域”業務的主要營收及利潤貢獻來源。
TOTO預計，其半導體業務今年的營業利潤將超過 1 億美元。
什么是靜電卡盤？
在很多的半導體制造流程中，通常需要卡盤來對晶圓進行固定，以便進行加工、測量、裝配等操作。卡盤可以根據其工作原理、結構形式、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：機械卡盤、真空卡盤、靜電卡盤等。其中靜電卡盤由于其對工件損傷小、精度高等特點，被廣泛運用于半導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境的超潔凈晶圓承載體，在半導體制造中是薄膜設備、刻蝕機、離子注入機、量測設備等高端裝備的核心部件。
△當原本內部電荷均勻分布的工件接近通電的靜電卡盤后，其內部正負電荷將分別移動至與其極性相反的電極一端。通過電荷異性相吸產生的庫侖力，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）。
現代半導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節，每個環節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）、化學氣相沉積（CVD）等工序均需要保證晶圓的平穩固定并確保最低程度的污染，因此大都需要靜電卡盤來進行固定。
雖然深紫外光（DUV）光刻并未用到靜電卡盤，因為DUV光刻是在常壓或浸沒式液體環境下進行，所以通過晶圓下方的真空系統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境下運行，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，因為靜電卡盤更適用于這種環境。此外，靜電卡盤能提供更穩定的吸附力，降低變形程度，提升圖層對準（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用最為廣泛。但隨著半導體工藝對靜電卡盤散熱性能的要求不斷提高，導熱性能更好的氮化鋁陶瓷優勢逐漸顯現。相較于主流的氧化鋁陶瓷，氮化鋁陶瓷擁有更好的導熱性能、熱膨脹系數、機械性能、絕緣性，因此更適合作為半導體工藝的靜電卡盤材料。
由于氮化鋁的特殊性（其屬于共價化合物，自擴散系數小），純凈的氮化鋁粉末在通常的燒結溫度下很難燒結得到致密的組織，從而會影響靜電卡盤的導熱性能。目前主要的解決方案是通過在氮化鋁粉末燒結時加入某些燒結助劑（如 CaO、Y2O3 等）促進氮化鋁的燒結作用，從而提高氮化鋁陶瓷的導熱性。隨著氮化鋁陶瓷燒結工藝的不斷進步，未來氮化鋁陶瓷的靜電卡盤有望逐漸對氧化鋁陶瓷的靜電卡盤實現替代。
靜電卡盤市場格局：美國及日本廠商壟斷
靜電卡盤是半導體制造工藝設備中價值量占比相對較高的核心零部件。據拓荊科技招股說明書顯示，2019 年至 2021Q1-Q3 靜電卡盤所屬的機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，其中靜電卡盤的價值量相對較高。據珂瑪科技公告，靜電卡盤占刻蝕機原材料采購成本的12.7%。
目前，全球靜電卡盤市場主要被美日韓等企業所壟斷，主要供應商包括美國應用材料（AMAT）、泛林集團（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 QYResearch 數據，應用材料、泛林集團、Shinko 分別占據了 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，日韓企業靜電卡盤基本采取的是單獨售賣的銷售模式，而美國的靜電卡盤企業通常都是綜合性的半導體設備制造商，他們通過將靜電卡盤與所生產的 PVD、CVD 等半導體設備整機配套售賣的方式將靜電卡盤銷售至下游客戶。同時由于靜電卡盤使用壽命通常不超過兩年，屬于消耗品，因此對靜電卡盤的替換也將貢獻可觀的銷售收入。
中國本土的靜電卡盤供應商主要有瑞耘科技廣東海拓創新、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《關于靜電吸盤項目之合作框架協議》。江豐電子將從KSTE引進約定范圍的靜電卡盤產品所需的全部生產技術并采購相關生產線，最終實現公司在中國大陸地區獨立量產。KSTE負責向江豐電子提供全流程技術支持，并負責有關生產線的設計和交付。
從市場規模來看，根據QYResearch的預測數據顯示，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，年復合增長率為 5.1%。
不過，根據珂瑪科技招股書顯示，2023年全球靜電卡盤市場規模保守估計為36~42億元，其中中國大陸市場為7~8億元。
TOTO如何改進靜電卡盤技術？
從技術方面來看，靜電卡盤所使用的高性能陶瓷雖然堅硬，但容易變脆，所以陶瓷材料必須兼具強度與抗裂性，而TOTO運用長年制造馬桶及陶瓷衛浴產品所需的陶瓷成型與燒成技術，可以制造出抗裂的均質陶瓷材料。
據了解，TOTO采用了高耐等離子體性 Al2O3 材料實現了靜電卡盤產品的高耐用性，并實現了低背面顆粒污染。TOTO 的靜電卡盤還可以根據客戶的要求控制晶圓溫度。這些都歸功于TOTO在陶瓷材料領域多年的設計和量產制造能力。
△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TOTO最初進入半導體產業時，曾一度面臨重大挑戰。該公司最早供應結構性零部件，但銷售表現不佳，后來則在靜電卡盤領域取得了一定成功，但由于良率過低，導致產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。當TOTO的靜電卡盤產品出現良率過低時，其將相同技術應用于檢測靜電卡盤，發現產品上存在有化妝品粉末等異物顆粒影響了良率，由于當時大部分的生產工作仍依賴于人工，加上無塵室標準較低，所以最終影響了產品品質。
最終，TOTO通過其在陶瓷衛浴業務上的技術經驗，成功找出了問題所在，并改進了這些存在問題的環節，最終實現了良率的大幅提升。
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設施。在2020年4月到2024年4月期間，該公司的陶瓷生產員工增加了約20%。根據TOTO總裁Noriaki Kiyota去年10月電話會議的說法，TOTO還正在考慮建新工廠的計劃。
目前，TOTO將目光投向切割和封裝等下游制程，如3D堆疊技術要求基板材料采用新技術。TOTO 陶瓷業務企劃部經理Junji Kameshima指出，未來陶瓷將在半導體后段制程設備中被應用到更多地方。
在2024財年，TOTO 預計其與半導體相關的陶瓷部門的營業利潤將達到200億日元（約1.3億美元），營業利潤率接近40%，遠高于公司整體7%營業利潤的預期。TOTO目標是在2026財年該部門的營業利潤達到250億日元，并擴大產品組合以幫助穩定該業務。
目前，TOTO 已將住宅設備業務和中國業務的利潤重新投資于陶瓷技術中，隨著日本住房市場萎縮、中國經濟放緩之際，AI、數據中心與電子設備需求激增，推動TOTO在半導體領域的投資增加。
TOTO總裁Kiyota也強調，即使有起有落，半導體業務毫無疑問會持續成倍成長。
編輯：芯智訊-浪客劍
