中國粉體網訊 在高度信息化的今天，芯片已經成為不可或缺的基礎設施。從智能手機、個人電腦到服務器、超級計算機，乃至人工智能、物聯網、自動駕駛等前沿科技，都離不開高性能、高可靠性的芯片。芯片的性能直接決定了電子設備的運行速度、功耗以及智能化水平。
芯片制造是一項極其復雜和精密的工程，涉及材料科學、物理學、化學、電子工程等多個學科。其制造過程需要數百道工序，每一道工序都對材料和設備的性能提出了極高的要求。近年來，隨著摩爾定律逼近物理極限，芯片制造面臨著越來越多的挑戰。為了突破這些瓶頸，研究人員不斷探索新的材料和工藝，其中，稀土元素因其獨特的光學、電學和磁學性質，在芯片制造中扮演著日益重要的角色。
稀土元素在光刻技術中的應用
光刻是芯片制造中最核心的工藝之一，其分辨率直接決定了芯片的集成度。光刻技術通過將設計好的電路圖案轉移到晶圓表面，從而定義出芯片上的各種微觀結構。據中國稀土學會的專家們介紹，稀土元素在光刻機和光刻膠中均有重要應用，對提升光刻分辨率和圖案質量起著關鍵作用。
光刻機
光刻機的鏡頭系統需要使用高折射率的光學玻璃，以提高分辨率和成像質量。隨著光刻技術向更短波長方向發展（例如極紫外光刻EUV），對光學材料的性能要求也越來越高。通過在玻璃中摻雜不同的稀土元素，可以調節其光學性質，以滿足光刻機鏡頭的性能要求。常見的稀土光學玻璃種類包括：
含鑭（La）光學玻璃：鑭是提高玻璃折射率最有效的元素之一。在玻璃中摻雜鑭，可以顯著提高其折射率和阿貝數，同時保持良好的透過率。含鑭光學玻璃廣泛應用于DUV光刻機鏡頭中，例如，佳能、尼康等公司的DUV光刻機鏡頭中就使用了大量的含鑭光學玻璃。
佳能半導體光刻設備內置圖像
含釔（Y）光學玻璃：釔與鑭類似，也可以提高玻璃的折射率，同時具有較好的化學穩定性和熱穩定性。含釔光學玻璃常與含鑭光學玻璃配合使用，以進一步優化透鏡的光學性能。
含釓（Gd）光學玻璃：釓可以提高玻璃的折射率，并改善其色散特性。含釓光學玻璃常用于制造高精度光刻機鏡頭。
DUV光刻機鏡頭通常使用多種稀土光學玻璃組合，以實現高折射率、高透過率和低色散。例如，某些DUV光刻機鏡頭使用了8種不同的光學玻璃，其中大部分都含有稀土元素。
EUV光刻機鏡頭對光學材料的性能要求更高。由于EUV光波長極短，傳統的光學玻璃無法滿足其透過率要求。目前，EUV光刻機鏡頭主要采用反射式光學系統，使用多層膜反射鏡，而不是透射式透鏡。但是為了提高反射鏡的性能，仍然需要在基底材料中摻雜稀土元素，以提高其熱穩定性和抗輻射能力。
光刻膠
光刻膠是光刻工藝中用于轉移圖案的關鍵材料。它是一種對光敏感的聚合物，在光照后其溶解度會發生改變，從而實現圖案的轉移。稀土元素在光刻膠中通常以化合物的形式存在，例如氧化物、氟化物、有機配合物等。它們在光刻膠中的應用主要基于以下幾個方面：
增強抗蝕刻能力：在芯片制造中，光刻膠需要承受嚴酷的等離子刻蝕環境，添加稀土化合物（如Ce的氧化物或氟化物）可以增強光刻膠的耐受性，減少圖案的變形和損壞，從而提高刻蝕精度和芯片良率。
提高光敏性：某些稀土元素（如Eu）的有機配合物可以作為光敏劑，提高光刻膠對特定波長光的敏感性。通過選擇合適的光敏劑，可以使光刻膠在特定波長下具有更高的光吸收效率，從而提高光刻的分辨率和靈敏度。
調整光刻膠的光學性質：稀土元素具有獨特的光學性質，可以通過在光刻膠中摻雜不同的稀土化合物來調整光刻膠的折射率、吸收系數等光學參數。這有助于優化光刻過程中的光場分布，提高光刻的成像質量。
稀土元素在晶圓拋光中的應用
化學機械拋光（CMP）是芯片制造中用于實現晶圓表面平坦化的關鍵工藝。拋光過程中，首先是被拋工件表面與拋光液中的物質發生化學反應，生成一層相對容易去除的軟質層；然后在拋光液中磨料和拋光墊的機械作用下去除軟質層，使工件表面重新裸露出來，然后再進行化學反應，這樣在化學作用和機械作用的交替中完成工件表面拋光，進而達到工件表面平坦化的目的。
化學機械拋光工作原理示意圖
CMP拋光液是由研磨顆粒、表面活性劑、氧化劑、pH調節劑和去離子水等均勻混合制成，其技術難點在于需要根據不同拋光對象和拋光環境來調整液體的配方組合。
拋光液磨料以無機氧化物納米顆粒為主，包括氧化鈰(CeO2)、氧化硅(SiO2)、氧化鋁(Al2O3)、氧化錳(MnO2)、氧化鋯(ZrO2)和金剛石等，可以進行機械摩擦、吸附并去除腐蝕產物。
伴隨半導體器件小型化和精密化發展，需要更嚴格的CMP拋光性能，例如同時具有高去除率和低劃痕缺陷的高選擇性，以及自停止功能拋光液。CeO2具備良好的晶體結構和優異的摩擦化學活性，對SiO2有強的親和力，可實現氧化硅的高效去除。
此外CeO2也是一種半導體光催化劑，存在可變價態(Ce4+和Ce3+)和豐富氧空位，結合了摩擦化學能力和光化學氧化活性，可應用于光催化輔助的拋光。鑒于此，CeO2成為了層間介質SiO2等氧化物的首選拋光磨料，受到廣泛關注和研究。
對于半導體(集成電路、芯片、光電子器件)制造過程而言，對拋光精度的要求越來越高，使用的氧化鈰通常都需達到納米級別，但我國目前能達到高精度拋光要求的氧化鈰漿料在全球占比不高。因此，許多科研工作者致力于開發出不同形貌、不同尺寸、具有優異表面性質的氧化鈰基納米顆粒，滿足終端領域的拋光要求。
稀土元素在磁性部件中的應用
在光刻機等高端設備中，需要使用高性能的電機和磁力軸承來實現精確的運動控制。據中國稀土學會的專家們介紹，這些設備的運動精度通常需要達到納米甚至亞納米級別，因此對電機和軸承的性能提出了極高的要求。稀土永磁材料，如釹鐵硼（NdFeB）和釤鈷（SmCo），是制造這些高性能部件的關鍵材料，能夠滿足諸如：高磁能積、高矯頑力、高剩磁、良好的溫度穩定性、高均勻性等嚴苛要求。
釹鐵硼永磁材料
釹鐵硼永磁材料具有極高的磁能積，是目前已知的磁性能最高的永磁材料之一。利用釹鐵硼材料可以制造出體積小、重量輕、功率大的高性能電機，驅動光刻機中的精密運動部件，實現精確對準和掃描。隨著光刻技術的不斷發展，對運動控制的精度要求也越來越高，對釹鐵硼永磁材料的性能也提出了更高的要求。鐠、釹、鋱、鏑是制造高性能釹鐵硼的關鍵稀土元素。
釤鈷永磁材料
釤鈷永磁材料具有優異的高溫穩定性，在高溫環境下磁性能衰減較小，適用于對溫度穩定性要求較高的場合。在光刻機等設備中，由于長時間運行會產生大量的熱，因此對磁性部件的溫度穩定性提出了較高的要求。含有稀土元素釤的釤鈷永磁材料能夠在高溫環境下保持穩定的磁性能，從而保證設備的正常運行。
高純稀土靶材在集成電路中的應用
隨著電子技術向高性能、多功能、大容量、微型化方向發展，半導體芯片集成度越來越高，晶體管尺寸越來越小，傳統的SiO2柵介質薄膜就會存在漏電甚至絕緣失效的問題，目前采用鉿、鋯及稀土改性的稀有金屬氧化物薄膜解決核心漏電問題。如果進一步降低線寬，則需采用更高介電常數的稀土柵介質材料。
隨著我國28nm及以下高端集成電路生產工藝的突破和量產，高純稀土金屬濺射靶材戰略需求急迫。隨著技術的提升和材料的更迭，高純稀土金屬及合金靶材在集成電路領域的應用會爆發式增長。
參考來源：
[1]陳占恒等：稀土元素在芯片制造中的重要作用綜述，中國稀土學會
[2]楊麗等：稀土在電子功能材料領域的應用，包頭稀土研究院
[3]范永宇：CeO2復合磨料制備及其在化學機械拋光中的應用，中國科學技術大學
[4]丁林敏：鈰基氧化物材料及前驅體的合成及拋光性能研究，南昌大學
（中國粉體網編輯整理/平安）
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