2月5日消息，据《日经新闻》报道，全球第三大陶瓷卫浴产品制造商——日本TOTO通过利用其在陶瓷材料领域的专业知识，已经在半导体制造所需的“静电卡盘”（Electrostatic Chucks，或称E-CHUCK、ESC）市场取得了成功。
报道称，TOTO 与半导体相关的业务最早可追溯至1980年代，当时TOTO就有为半导体产业开发高性能精密陶瓷产品，其中最主要的产品就是“静电卡盘”。然而，该业务多年无利可图，但随着近年来半导体市场的蓬勃发展，该业务的利润在2022财年开始大幅增长，并广泛应用在先进半导体生产当中。
根据TOTO公布的2024财年前三季（2024年4月-12月）财报显示，前三季TOTO的包括半导体业务在内的“新领域”业务营收达到了344亿日元（约合2.25亿美元或16.36亿元人民币），同比增长31.8%，营业利润达142亿日元（约合0.93亿美元或6.75亿元人民币），同比暴涨84.4%。
TOTO的“新领域”业务主要包括：陶瓷业务和环境建材业务。陶瓷业务主要是指以陶瓷组件为基础，如陶瓷半导体、光通讯设备等。而环境建材业务主要是生产一些陶板、镜片等。其中，以静电卡盘为代表的与半导体相关的陶瓷业务近年来成为了“新领域”业务的主要营收及利润贡献来源。
TOTO预计，其半导体业务今年的营业利润将超过 1 亿美元。
什么是静电卡盘？
在很多的半导体制造流程中，通常需要卡盘来对晶圆进行固定，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。
具体来说，静电卡盘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部件。静电卡盘可适用于真空及等离子体工况环境的超洁净晶圆承载体，在半导体制造中是薄膜设备、刻蚀机、离子注入机、量测设备等高端装备的核心部件。
△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。按照吸附原理的不同，静电卡盘可分为库仑型（Coulomb type）与 J-R 型（Johnsen-Rahbeck type）。
现代半导体制造流程中包含晶圆的光刻、清洗、氧化、刻蚀、薄膜沉积等众多的环节，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并确保最低程度的污染，因此大都需要静电卡盘来进行固定。
虽然深紫外光（DUV）光刻并未用到静电卡盘，因为DUV光刻是在常压或浸没式液体环境下进行，所以通过晶圆下方的真空系统即可维持晶圆的平整度与固定，但是EUV光刻则有所不同，其采用的是波长极短的13.5nm光源，非常容易被吸收，因此必须在高真空环境下运行，为避免EUV光线被吸收，芯片制造商也选择采用静电卡盘来取代真空吸盘，因为静电卡盘更适用于这种环境。此外，静电卡盘能提供更稳定的吸附力，降低变形程度，提升图层对准（Overlay）及临界尺寸（Critical Dimension，CD）控制的精度。
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。
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。
静电卡盘市场格局：美国及日本厂商垄断
静电卡盘是半导体制造工艺设备中价值量占比相对较高的核心零部件。据拓荆科技招股说明书显示，2019 年至 2021Q1-Q3 静电卡盘所属的机械类零部件占拓荆科技核心原材料采购额比重维持在 25%以上，且一直处于所有零部件大类采购额比重的*位。机械类零部件主要包括静电卡盘、加热盘、腔体等，其中静电卡盘的价值量相对较高。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%。
目前，全球静电卡盘市场主要被美日韩等企业所垄断，主要供应商包括美国应用材料（AMAT）、泛林集团（Lam Research），日本新光电气（Shinko Electric Industries）、TOTO、日本陶瓷综合制造商（NTK CERATEC）、京瓷、日本碍子，韩国的MiCo、AEGISCO、KSM、LK ENGINEERING等公司。据 QYResearch 数据，应用材料、泛林集团、Shinko 分别占据了 2021 年全球静电卡盘市场销售额前三位，市场份额分别为43.86%、31.42%、10.20%。
不过，需要指出的是，日韩企业静电卡盘基本采取的是单独售卖的销售模式，而美国的静电卡盘企业通常都是综合性的半导体设备制造商，他们通过将静电卡盘与所生产的 PVD、CVD 等半导体设备整机配套售卖的方式将静电卡盘销售至下游客户。同时由于静电卡盘使用寿命通常不超过两年，属于消耗品，因此对静电卡盘的替换也将贡献可观的销售收入。
中国本土的静电卡盘供应商主要有瑞耘科技广东海拓创新、君原电子、华卓精科、苏州珂玛科技、中瓷电子和中山思考电子，但整体市场份额都非常小。值得一提的是，2025年1月17日，江丰电子与KSTEINC.签署了《关于静电吸盘项目之合作框架协议》。江丰电子将从KSTE引进约定范围的静电卡盘产品所需的全部生产技术并采购相关生产线，最终实现公司在中国大陆地区独立量产。KSTE负责向江丰电子提供全流程技术支持，并负责有关生产线的设计和交付。
从市场规模来看，根据QYResearch的预测数据显示，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，年复合增长率为 5.1%。
不过，根据珂玛科技招股书显示，2023年全球静电卡盘市场规模保守估计为36~42亿元，其中中国大陆市场为7~8亿元。
TOTO如何改进静电卡盘技术？
从技术方面来看，静电卡盘所使用的高性能陶瓷虽然坚硬，但容易变脆，所以陶瓷材料必须兼具强度与抗裂性，而TOTO运用长年制造马桶及陶瓷卫浴产品所需的陶瓷成型与烧成技术，可以制造出抗裂的均质陶瓷材料。
据了解，TOTO采用了高耐等离子体性 Al2O3 材料实现了静电卡盘产品的高耐用性，并实现了低背面颗粒污染。TOTO 的静电卡盘还可以根据客户的要求控制晶圆温度。这些都归功于TOTO在陶瓷材料领域多年的设计和量产制造能力。
△等离子体照射检查示例：TOTO 的材料 （AP900R） 比典型的高纯度 Al2O3（纯度 99.9%）具有更高的耐等离子体性。
当TOTO最初进入半导体产业时，曾一度面临重大挑战。该公司最早供应结构性零部件，但销售表现不佳，后来则在静电卡盘领域取得了一定成功，但由于良率过低，导致产能无法满足市场需求。
TOTO曾使用高精密显微镜检查马桶表面，找出并修正微小瑕疵，防止污垢附着，以提升品质。当TOTO的静电卡盘产品出现良率过低时，其将相同技术应用于检测静电卡盘，发现产品上存在有化妆品粉末等异物颗粒影响了良率，由于当时大部分的生产工作仍依赖于人工，加上无尘室标准较低，所以最终影响了产品品质。
最终，TOTO通过其在陶瓷卫浴业务上的技术经验，成功找出了问题所在，并改进了这些存在问题的环节，最终实现了良率的大幅提升。
为了巩固自身的市场地位，TOTO在陶瓷材料制造方面投入了大量资金。2020年，TOTO斥资118亿日元在日本大分兴建陶瓷生产设施。在2020年4月到2024年4月期间，该公司的陶瓷生产员工增加了约20%。根据TOTO总裁Noriaki Kiyota去年10月电话会议的说法，TOTO还正在考虑建新工厂的计划。
目前，TOTO将目光投向切割和封装等下游制程，如3D堆叠技术要求基板材料采用新技术。TOTO 陶瓷业务企划部经理Junji Kameshima指出，未来陶瓷将在半导体后段制程设备中被应用到更多地方。
在2024财年，TOTO 预计其与半导体相关的陶瓷部门的营业利润将达到200亿日元（约1.3亿美元），营业利润率接近40%，远高于公司整体7%营业利润的预期。TOTO目标是在2026财年该部门的营业利润达到250亿日元，并扩大产品组合以帮助稳定该业务。
目前，TOTO 已将住宅设备业务和中国业务的利润重新投资于陶瓷技术中，随着日本住房市场萎缩、中国经济放缓之际，AI、数据中心与电子设备需求激增，推动TOTO在半导体领域的投资增加。
TOTO总裁Kiyota也强调，即使有起有落，半导体业务毫无疑问会持续成倍成长。
编辑：芯智讯-浪客剑
