中國粉體網(wǎng)訊  近幾年,，光刻機的確是個熱詞,，不論業(yè)內(nèi)業(yè)外,，都對其非常關(guān)注,，“有井水處即有光刻機”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,，理發(fā)小哥也會滔滔不絕的和他交流光刻機,。

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、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)展除先進設(shè)計,、精密控制技術(shù)外,，關(guān)鍵零部件制備技術(shù)制約也是嚴重影響集成電路先進制造裝備國產(chǎn)化進程的一大問題。

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、高強度,、高彈性模量,、高導(dǎo)熱系數(shù)及低熱膨脹系數(shù)等特點，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,。例如在高端光刻機中,，為實現(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鍵很強的共價鍵化合物,，具有極高的硬度和顯著的脆性，精密加工難度大,；此外,，碳化硅熔點高，難以實現(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)幾個發(fā)達國家的少數(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，如光刻機用碳化硅工件臺,、導(dǎo)軌,、反射鏡,、陶瓷吸盤、手臂等,。

碳化硅工件臺

光刻機中工件臺主要負責(zé)完成曝光運動,，要求實現(xiàn)高速、大行程,、六自由度的納米級超精密運動,，如對于100nm分辨率、套刻精度為33nm和線寬為10nm的光刻機,，其工件臺定位精度要求達到10nm,，掩模硅片同時步進和掃描速度分別達到150nm/s和120nm/s，掩模掃描速度接近500nm/s,，并且要求工件臺具有非常高的運動精度和平穩(wěn)性,。故需滿足以下要求：

工件臺及微動臺(局部剖面)示意圖

(1)高度輕量化：為降低運動慣量，減輕電機負載,，提高運動效率、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,，其輕量化率為60%~80%，最高可達到90%,；

(2)高形位精度：為實現(xiàn)高精度運動和定位,，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：為實現(xiàn)高精度運動和定位,，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),，運動過程中動能損失小，且無磨削顆粒的污染,。

碳化硅陶瓷方鏡

光刻機等集成電路關(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，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),，實現(xiàn)了大尺寸,、復(fù)雜形狀、高度輕量化,、全封閉光刻機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

日前在韓國的一場半導(dǎo)體交流活動中，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光刻機的效率。ASML2016年首次開發(fā)出光罩薄膜,，當(dāng)時的透光率是78%,。隨后在2018年，薄膜透光率提升到80%,，去年提升到85%,。

薄膜用于保護光罩免受污染，單價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),，該工藝是一種精細的膠態(tài)成型工藝(Colloidalprocessing),，可實現(xiàn)大尺寸、復(fù)雜結(jié)構(gòu)坯體的高強度,、高均勻性,、近凈尺寸成型，自上世紀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行連接獲得整體中空部件。

產(chǎn)業(yè)競爭格局

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，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、晶圓制造設(shè)備,、刻蝕機,、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等集成電路裝備用精密陶瓷結(jié)構(gòu)件,，如用于光刻機中的精密運動工件臺,、骨架、吸盤,、水冷板以及精密測量反射鏡,、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光刻機更強了.芯通社

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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