中國粉體網(wǎng)訊  近幾年，光刻機(jī)的確是個(gè)熱詞，不論業(yè)內(nèi)業(yè)外，都對(duì)其非常關(guān)注，“有井水處即有光刻機(jī)”說的毫不夸張。據(jù)說有位半導(dǎo)體領(lǐng)域的專家去理發(fā)時(shí)，理發(fā)小哥也會(huì)滔滔不絕的和他交流光刻機(jī)。

而在材料領(lǐng)域，碳化硅的“火”有過之而無不及，其本身作為一種優(yōu)良的陶瓷材料，性能與應(yīng)用不斷地被的開發(fā)，尤其是隨著集成電路的快速發(fā)展，碳化硅作為第三代半導(dǎo)體材料更是一躍成為最受矚目的材料之一。

光刻機(jī)和碳化硅之間又有什么神秘關(guān)系呢？

這還要從剛才講到的集成電路說起。集成電路產(chǎn)業(yè)(即IC產(chǎn)業(yè))是關(guān)乎國家經(jīng)濟(jì)、政治和國防安全的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，在IC產(chǎn)業(yè)中，集成電路制造裝備具有極其重要的戰(zhàn)略地位。集成電路關(guān)鍵裝備的發(fā)展除先進(jìn)設(shè)計(jì)、精密控制技術(shù)外，關(guān)鍵零部件制備技術(shù)制約也是嚴(yán)重影響集成電路先進(jìn)制造裝備國產(chǎn)化進(jìn)程的一大問題。

12英寸硅片用碳化硅真空吸盤

關(guān)鍵零部件具有舉足輕重的作用，要求結(jié)構(gòu)件材料具有高純度、高致密度、高強(qiáng)度、高彈性模量、高導(dǎo)熱系數(shù)及低熱膨脹系數(shù)等特點(diǎn)，且結(jié)構(gòu)件要具有極高的尺寸精度和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。例如在高端光刻機(jī)中，為實(shí)現(xiàn)高制程精度，需要廣泛采用具有良好的功能復(fù)合性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、尺寸精度的陶瓷零部件，如E-chuck、Vacumm-chuck、Block、磁鋼骨架水冷板、反射鏡、導(dǎo)軌等。

碳化硅陶瓷正是光刻機(jī)用精密陶瓷部件的首選材料！

碳化硅陶瓷具有高的彈性模量和比剛度，不易變形，并且具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)和低的熱膨脹系數(shù)，熱穩(wěn)定性高，因此碳化硅陶瓷是一種優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、航天、石油化工、機(jī)械制造、核工業(yè)、微電子工業(yè)等領(lǐng)域。

但是，由于碳化硅是Si—C鍵很強(qiáng)的共價(jià)鍵化合物，具有極高的硬度和顯著的脆性，精密加工難度大；此外，碳化硅熔點(diǎn)高，難以實(shí)現(xiàn)致密、近凈尺寸燒結(jié)。因此，大尺寸、復(fù)雜異形中空結(jié)構(gòu)的精密碳化硅結(jié)構(gòu)件的制備難度較高，限制了碳化硅陶瓷在諸如集成電路這類的高端裝備制造領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用。目前只有日本、美國等少數(shù)幾個(gè)發(fā)達(dá)國家的少數(shù)企業(yè)(如日本的Kyocera、美國的CoorsTek等)成功地將碳化硅陶瓷材料應(yīng)用于集成電路制造關(guān)鍵裝備中，如光刻機(jī)用碳化硅工件臺(tái)、導(dǎo)軌、反射鏡、陶瓷吸盤、手臂等。

碳化硅工件臺(tái)

光刻機(jī)中工件臺(tái)主要負(fù)責(zé)完成曝光運(yùn)動(dòng)，要求實(shí)現(xiàn)高速、大行程、六自由度的納米級(jí)超精密運(yùn)動(dòng)，如對(duì)于100nm分辨率、套刻精度為33nm和線寬為10nm的光刻機(jī)，其工件臺(tái)定位精度要求達(dá)到10nm，掩模硅片同時(shí)步進(jìn)和掃描速度分別達(dá)到150nm/s和120nm/s，掩模掃描速度接近500nm/s，并且要求工件臺(tái)具有非常高的運(yùn)動(dòng)精度和平穩(wěn)性。故需滿足以下要求：

工件臺(tái)及微動(dòng)臺(tái)(局部剖面)示意圖

(1)高度輕量化：為降低運(yùn)動(dòng)慣量，減輕電機(jī)負(fù)載，提高運(yùn)動(dòng)效率、定位精度和穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)件普遍采用輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其輕量化率為60%~80%，最高可達(dá)到90%；

(2)高形位精度：為實(shí)現(xiàn)高精度運(yùn)動(dòng)和定位，要求結(jié)構(gòu)件具有極高的形位精度，平面度、平行度、垂直度要求小于1μm，形位精度要求小于5μm；

(3)高尺寸穩(wěn)定性：為實(shí)現(xiàn)高精度運(yùn)動(dòng)和定位，要求結(jié)構(gòu)件具有極高的尺寸穩(wěn)定性，不易產(chǎn)生應(yīng)變，且導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)低，不易產(chǎn)生大的尺寸變形；

(4)清潔無污染：要求結(jié)構(gòu)件具有極低的摩擦系數(shù)，運(yùn)動(dòng)過程中動(dòng)能損失小，且無磨削顆粒的污染。

碳化硅陶瓷方鏡

光刻機(jī)等集成電路關(guān)鍵裝備中的關(guān)鍵部件具有形狀復(fù)雜、外形尺寸復(fù)雜以及中空輕量化結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，制備此類碳化硅陶瓷零部件難度較大。目前國際主流集成電路裝備制造商，如荷蘭ASML，日本NIKON、CANON等公司大量采用微晶玻璃、堇青石等材料制備光刻機(jī)核心部件——方鏡，而采用碳化硅陶瓷制備其他簡單形狀的高性能結(jié)構(gòu)部件。中國建筑材料科學(xué)研究總院的專家們卻采用專有制備技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大尺寸、復(fù)雜形狀、高度輕量化、全封閉光刻機(jī)用碳化硅陶瓷方鏡及其他結(jié)構(gòu)功能光學(xué)零部件的制備。

碳化硅光罩薄膜

日前在韓國的一場(chǎng)半導(dǎo)體交流活動(dòng)中，ASML韓國營銷經(jīng)理MyoungKuyLee透露，公司將開始供應(yīng)透光率超90%的薄膜，以提升EUV光刻機(jī)的效率。ASML2016年首次開發(fā)出光罩薄膜，當(dāng)時(shí)的透光率是78%。隨后在2018年，薄膜透光率提升到80%，去年提升到85%。

薄膜用于保護(hù)光罩免受污染，單價(jià)2.6萬美元左右（約合人民幣16.78萬元）。

另外，韓國企業(yè)FST、S&STech也都在緊張開發(fā)EUV光刻機(jī)所需的薄膜，F(xiàn)ST此前預(yù)期上半年開始供應(yīng)90%透光率的碳化硅薄膜。

碳化硅陶瓷精密結(jié)構(gòu)部件制備工藝

中國建材總院在近凈尺寸成型工藝——凝膠注模成型的基礎(chǔ)上，開發(fā)出用于制備新型大尺寸、復(fù)雜形狀、高精度碳化硅陶瓷部件的工藝技術(shù)。

碳化硅陶瓷部件制備工藝流程圖

該制備流程中的關(guān)鍵工藝包括凝膠注模成型工藝、陶瓷素坯加工工藝和陶瓷素坯連接工藝。其中，凝膠注成型工藝是制備碳化硅陶瓷部件的基礎(chǔ)，該工藝是一種精細(xì)的膠態(tài)成型工藝(Colloidalprocessing)，可實(shí)現(xiàn)大尺寸、復(fù)雜結(jié)構(gòu)坯體的高強(qiáng)度、高均勻性、近凈尺寸成型，自上世紀(jì)90年代以來在特種陶瓷材料制備領(lǐng)域獲得了廣泛的研究。陶瓷素坯加工工藝可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀陶瓷部件的快速、低成本、精密制造，有效提高陶瓷部件的尺寸精度及表面光潔度。陶瓷素坯連接工藝則可以實(shí)現(xiàn)中空陶瓷部件的制備，主要采用陶瓷粘結(jié)劑將陶瓷單體部件進(jìn)行連接獲得整體中空部件。

產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭格局

目前國外在集成電路核心裝備用精密陶瓷結(jié)構(gòu)件的研發(fā)和應(yīng)用方面走在前列的公司有日本京瓷、美國CoorsTek、德國BERLINERGLAS等，其中，京瓷和CoorsTek公司占據(jù)了集成電路核心裝備用高端精密陶瓷結(jié)構(gòu)件市場(chǎng)份額的70%。

京瓷及CoorsTek制造的高端陶瓷零部件具有材料體系齊全、性能優(yōu)異、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工精度高等特點(diǎn)，所制造的精密陶瓷結(jié)構(gòu)件幾乎涵蓋了現(xiàn)有結(jié)構(gòu)陶瓷材料體系，如氧化鋁、碳化硅、氮化硅、氮化鋁等；結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用領(lǐng)域也幾乎覆蓋了全部集成電路核心裝備，形成了一系列型號(hào)齊全、品種多樣的精密陶瓷結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品，如美國CoorsTek公司能夠提供光刻機(jī)專用組件、等離子刻蝕設(shè)備專用組件、PVD/CVD專用組件、離子注入設(shè)備專用組件、晶片吸附固定傳輸專用組件等一系列產(chǎn)品；京瓷能夠提供光刻機(jī)、晶圓制造設(shè)備、刻蝕機(jī)、沉積設(shè)備（CVD、濺射）、LCD等裝備用精密陶瓷結(jié)構(gòu)件。我國在集成電路核心裝備用精密陶瓷結(jié)構(gòu)件的研發(fā)和應(yīng)用方面起步較晚，在大尺寸、高精度、中空、閉孔、輕量化結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)陶瓷零部件的制備領(lǐng)域有諸多關(guān)鍵技術(shù)問題有待突破。

結(jié)束語

碳化硅陶瓷具有優(yōu)良的常溫力學(xué)性能(如高強(qiáng)度、高硬度、高彈性模量等)、優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性(如高導(dǎo)熱系數(shù)、低熱膨脹系數(shù)等)以及良好的比剛度和光學(xué)加工性能，特別適合用于制備光刻機(jī)等集成電路裝備用精密陶瓷結(jié)構(gòu)件，如用于光刻機(jī)中的精密運(yùn)動(dòng)工件臺(tái)、骨架、吸盤、水冷板以及精密測(cè)量反射鏡、光柵等陶瓷結(jié)構(gòu)件等。

參考來源：

[1]劉海林等.光刻機(jī)用精密碳化硅陶瓷部件制備技術(shù)

[2]霍艷麗.集成電路制造關(guān)鍵裝備用高精密碳化硅陶瓷部件研制技術(shù)

[3]胡傳奇.聚焦集成電路核心裝備用精密碳化硅結(jié)構(gòu)件

[4]ASMLEUV光刻機(jī)更強(qiáng)了.芯通社

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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