中國粉體網(wǎng)訊 半導體產(chǎn)業(yè)是關乎國家經(jīng)濟、政治和國防安全的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，在半導體產(chǎn)業(yè)中，以光刻機為代表的核心裝備是現(xiàn)代技術高度集成的產(chǎn)物，涉及光學、材料學、計算機科學等諸多學科，其設計和制造過程均能體現(xiàn)出相關科學技術領域的最高水平，該設備對精密結構件也提出了極高的要求。先進陶瓷作為第三代新興材料，已經(jīng)被引入到光刻設備之中，充當著極其重要的角色。
圖片來源：上海微電子
碳化硅陶瓷——光刻機用精密陶瓷部件的首選材料
在高端光刻機中，涉及高效率、高精度、高穩(wěn)定性的運動控制技術和驅(qū)動技術，對結構件的精度和結構材料的性能提出了極高的要求。
碳化硅陶瓷具有極高的彈性模量、導熱系數(shù)和較低的熱膨脹系數(shù)，不易產(chǎn)生彎曲應力變形和熱應變，并且具有極佳的可拋光性，可以通過機械加工至優(yōu)良的鏡面，因此采用碳化硅陶瓷作為光刻機等半導體關鍵裝備用精密結構件材料具有極大的優(yōu)勢。半導體制造裝備所需要的碳化硅陶瓷零部件包括：工件臺、導軌、反射鏡、手臂、Block、磁鋼骨架、吸盤、水冷板、氣浮板等。
碳化硅多孔吸盤，碳化硅組合式框架
（圖片來源：中國建筑材料科學研究總院）
碳化硅水冷骨架
（圖片來源：中國建筑材料科學研究總院）
方鏡、微動臺本體組件
（圖片來源：中國建筑材料科學研究總院）
這些部件具有如下結構特點：
①制品尺寸大、厚度大；
②中空閉孔結構；
③薄壁、薄板結構；
④高度輕量化；
⑤高形位精度；
⑥良好光學性能。
這些特點為碳化硅陶瓷零部件帶來極大的制造難度，限制了碳化硅陶瓷在高端裝備制造領域中的廣泛應用。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用于半導體關鍵裝備中。
堇青石陶瓷——光刻機移動平臺材料
光刻機移動平臺的材料體系設計是光刻機獲得高精度、高速度的關鍵。為了有效抵抗移動平臺在掃描過程中由于高速移動而產(chǎn)生的變形，平臺材料應包括具有較高比剛度的低熱膨脹材料，即此類材料具備高模量的同時還應滿足低密度的需求。另外，材料還需要較高的比剛度，這能夠使整個平臺在承受更高加速度和速度的同時保持相同的失真水平。通過在不增加失真的情況下以更高的速度轉換掩模，增加吞吐量，在保證高精度的同時提高工作效率。
早期的光刻設備選用的是德國肖特公司的微晶玻璃(Zerodur)、石英玻璃以及ULE玻璃等材料，其中Zerodur的應用最多。這種玻璃陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)在大范圍的工作溫度下基本為零，具備一定的強度和硬度，但在實際應用過程中其彈性模量較低，在維持所需剛度的同時需要增加厚度，即無法實現(xiàn)輕量化，逐漸難以滿足光刻機移動平臺的高速及高精度的需求。而且微晶玻璃在EUV離子束蝕刻過程中很容易發(fā)生磨損，從而導致精度下降。
隨著人們對高端、超高端光刻機日益增加的需求，國外ASML、NIKON和CANON等公司相繼開始研發(fā)新的材料體系作為光刻機的平臺結構材料。其中堇青石是高溫領域最常用的低熱膨脹陶瓷，由于密度低、彈性模量高而備受關注。
光刻機移動平臺用低熱膨脹材料性能對比
同時堇青石材料的低熱膨脹系數(shù)與Zerodur相當，同樣具備良好的熱穩(wěn)定性，此外，堇青石的導熱系數(shù)幾乎是Zerodur的三倍，這決定了材料在使用過程中能夠更大程度地散熱，從而更好地滿足熱穩(wěn)定性需求。堇青石具備高的彈性模量，可以有效抵制平臺高速移動掃描過程中的變形，增加穩(wěn)定性。在滿足剛度條件的基礎上，選擇堇青石材料作為平臺基板材料，所需的質(zhì)量遠遠小于微晶玻璃和石英玻璃材料作為平臺結構材料，從而實現(xiàn)輕量化需求。因此，各國研究人員逐漸發(fā)現(xiàn)，堇青石作為一種新型的半導體光刻機平臺材料具有良好的應用前景。
ASML公司很早便開始了其在光刻機平臺材料的應用研發(fā)，使得光刻機移動平臺結構材料不斷更新完善。近年來該公司公開的多項專利均涉及堇青石陶瓷在高端光刻機平臺材料中的應用研究，如今ASML公司已實現(xiàn)堇青石材料在光刻機移動平臺部件中的成熟應用及推廣。
圖片京瓷半導體制造裝置用鏡（堇青石）
除了應用于移動平臺，堇青石陶瓷還可以應用于反射鏡及掩膜版等。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反射鏡。美國Zygo公司于2015年公開了一種以堇青石陶瓷為主要成分的光刻機掩膜版材料，該掩膜版由經(jīng)過精細拋光的堇青石底層襯板，以及堇青石襯板上面的反射層、中間覆蓋層和吸收減震層等材料組成。該掩膜版選用的堇青石陶瓷襯板的彈性模量為120～150GPa，體積密度為2.5～2.7g/cm3，熱膨脹系數(shù)為0.2×10-6/℃，熱導率為3～5W/(m·K)，厚度小于0.635cm。
壓電陶瓷：保證光刻投影物鏡接近“零像差”
光刻機作為迄今為止人類所能制造的最精密裝備之一，其光刻投影物鏡的波像差需要控制到亞納米量級，接近“零像差”，同時其工件臺與掩膜臺需要有極高的加速度及納米量級的同步精度。再者，在高速曝光過程中，硅片面要求始終保持在投影物鏡~100nm的焦深范圍內(nèi)。隨著半導體制程逐漸逼近5nm的物理極限，光刻機的設計難度與加工精度也呈指數(shù)級增加，納米級定位、亞納米級加工精度、運行環(huán)境的精確控制等對光刻機技術的發(fā)展而言都是極大的挑戰(zhàn)。
美國TMC公司生產(chǎn)的STACISIII型壓電式主動減振器
在光刻機的制造與應用過程中，投影物鏡的納米級精細調(diào)節(jié)、曝光過程中掩模臺/工件臺的精確定位、光刻機的主動減振等方面都可能使用到壓電驅(qū)動技術，從而保證光刻機的成像質(zhì)量、分辨率與穩(wěn)定性。其中，壓電陶瓷材料以其無磁性干擾、定位分辨率高、發(fā)熱量小等特點廣泛用于光刻機投影物鏡中像差補償鏡的定位執(zhí)行器。目前商用的多層壓電驅(qū)動器多采用固溶或摻雜改性后鋯鈦酸鉛（PZT）基壓電材料。
小結
光刻機的研發(fā)是一項極為復雜的系統(tǒng)工程，匯集了光學、精密加工、控制系統(tǒng)、尖端材料等眾多領域的頂級技術，且很多技術都越來越接近工程極限。為實現(xiàn)高制程精度，先進陶瓷作為關鍵部件材料在以光刻機為代表的半導體裝備中得以大量應用。
作為半導體生產(chǎn)設備的關鍵部件，先進陶瓷材料的研發(fā)生產(chǎn)直接影響著半導體裝備制造業(yè)乃至整個半導體產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。我國在半導體設備方面起步較晚，在陶瓷零部件的制備領域有諸多關鍵技術問題有待突破。因此，無論從經(jīng)濟安全角度還是產(chǎn)業(yè)成本角度考慮，要突破我國半導體產(chǎn)業(yè)面臨的“卡脖子”窘境，必須重視先進陶瓷部件等半導體生產(chǎn)設備關鍵材料的國產(chǎn)化發(fā)展。
參考來源：
[1]張叢等.堇青石材料在光刻機領域的應用進展
[2]杜剛等.多層壓電驅(qū)動器在光刻機中的應用
[3]劉海林等.光刻機用精密碳化硅陶瓷部件制備技術
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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