半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)是關(guān)乎國(guó)家經(jīng)濟(jì)、政治和國(guó)防安全的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，以光刻機(jī)為代表的核心裝備是現(xiàn)代技術(shù)高度集成的產(chǎn)物，涉及光學(xué)、材料學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等諸多學(xué)科，其設(shè)計(jì)和制造過程均能體現(xiàn)出相關(guān)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的最高水平，該設(shè)備對(duì)精密結(jié)構(gòu)件也提出了極高的要求。先進(jìn)陶瓷作為第三代新興材料，已經(jīng)被引入到光刻設(shè)備之中，充當(dāng)著極其重要的角色。
碳化硅陶瓷——光刻機(jī)用精密陶瓷部件的首選材料
在高端光刻機(jī)中，涉及高效率、高精度、高穩(wěn)定性的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)和驅(qū)動(dòng)技術(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)件的精度和結(jié)構(gòu)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(dǎo)熱系數(shù)和較低的熱膨脹系數(shù)，不易產(chǎn)生彎曲應(yīng)力變形和熱應(yīng)變，并且具有極佳的可拋光性，可以通過機(jī)械加工至優(yōu)良的鏡面，因此采用碳化硅陶瓷作為光刻機(jī)等半導(dǎo)體關(guān)鍵裝備用精密結(jié)構(gòu)件材料具有極大的優(yōu)勢(shì)。半導(dǎo)體制造裝備所需要的碳化硅陶瓷零部件包括：工件臺(tái)、導(dǎo)軌、反射鏡、手臂、Block、磁鋼骨架、吸盤、水冷板、氣浮板等。
這些部件具有如下結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：
①制品尺寸大、厚度大；
②中空閉孔結(jié)構(gòu)；
③薄壁、薄板結(jié)構(gòu)；
④高度輕量化；
⑤高形位精度；
⑥良好光學(xué)性能。
這些特點(diǎn)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(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用。目前只有日本、美國(guó)等少數(shù)幾個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家的少數(shù)企業(yè)（如日本的Kyocera、美國(guó)的CoorsTek等）成功地將碳化硅陶瓷材料應(yīng)用于半導(dǎo)體關(guān)鍵裝備中。
堇青石陶瓷——光刻機(jī)移動(dòng)平臺(tái)材料
光刻機(jī)移動(dòng)平臺(tái)的材料體系設(shè)計(jì)是光刻機(jī)獲得高精度、高速度的關(guān)鍵。為了有效抵抗移動(dòng)平臺(tái)在掃描過程中由于高速移動(dòng)而產(chǎn)生的變形，平臺(tái)材料應(yīng)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(shí)還應(yīng)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(gè)平臺(tái)在承受更高加速度和速度的同時(shí)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(zhuǎn)換掩模，增加吞吐量，在保證高精度的同時(shí)提高工作效率。
早期的光刻設(shè)備選用的是德國(guó)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(yīng)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(qiáng)度和硬度，但在實(shí)際應(yīng)用過程中其彈性模量較低，在維持所需剛度的同時(shí)需要增加厚度，即無法實(shí)現(xiàn)輕量化，逐漸難以滿足光刻機(jī)移動(dòng)平臺(tái)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(dǎo)致精度下降。
隨著人們對(duì)高端、超高端光刻機(jī)日益增加的需求，國(guó)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(jī)的平臺(tái)結(jié)構(gòu)材料。其中堇青石是高溫領(lǐng)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(guān)注。
同時(shí)堇青石材料的低熱膨脹系數(shù)與Zerodur相當(dāng)，同樣具備良好的熱穩(wěn)定性，此外，堇青石的導(dǎo)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(tái)高速移動(dòng)掃描過程中的變形，增加穩(wěn)定性。在滿足剛度條件的基礎(chǔ)上，選擇堇青石材料作為平臺(tái)基板材料，所需的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于微晶玻璃和石英玻璃材料作為平臺(tái)結(jié)構(gòu)材料，從而實(shí)現(xiàn)輕量化需求。因此，各國(guó)研究人員逐漸發(fā)現(xiàn)，堇青石作為一種新型的半導(dǎo)體光刻機(jī)平臺(tái)材料具有良好的應(yīng)用前景。
ASML公司很早便開始了其在光刻機(jī)平臺(tái)材料的應(yīng)用研發(fā)，使得光刻機(jī)移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)材料不斷更新完善。近年來該公司公開的多項(xiàng)專利均涉及堇青石陶瓷在高端光刻機(jī)平臺(tái)材料中的應(yīng)用研究，如今ASML公司已實(shí)現(xiàn)堇青石材料在光刻機(jī)移動(dòng)平臺(tái)部件中的成熟應(yīng)用及推廣。
除了應(yīng)用于移動(dòng)平臺(tái)，堇青石陶瓷還可以應(yīng)用于反射鏡及掩膜版等。目前國(guó)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)反射鏡。美國(guó)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(jī)掩膜版材料，該掩膜版由經(jīng)過精細(xì)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(dǎo)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(jī)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(jí)，接近“零像差”，同時(shí)其工件臺(tái)與掩膜臺(tái)需要有極高的加速度及納米量級(jí)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(dǎo)體制程逐漸逼近5nm的物理極限，光刻機(jī)的設(shè)計(jì)難度與加工精度也呈指數(shù)級(jí)增加，納米級(jí)定位、亞納米級(jí)加工精度、運(yùn)行環(huán)境的精確控制等對(duì)光刻機(jī)技術(shù)的發(fā)展而言都是極大的挑戰(zhàn)。
在光刻機(jī)的制造與應(yīng)用過程中，投影物鏡的納米級(jí)精細(xì)調(diào)節(jié)、曝光過程中掩模臺(tái)/工件臺(tái)的精確定位、光刻機(jī)的主動(dòng)減振等方面都可能使用到壓電驅(qū)動(dòng)技術(shù)，從而保證光刻機(jī)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(diǎn)廣泛用于光刻機(jī)投影物鏡中像差補(bǔ)償鏡的定位執(zhí)行器。目前商用的多層壓電驅(qū)動(dòng)器多采用固溶或摻雜改性后鋯鈦酸鉛（PZT）基壓電材料。
小結(jié)
光刻機(jī)的研發(fā)是一項(xiàng)極為復(fù)雜的系統(tǒng)工程，匯集了光學(xué)、精密加工、控制系統(tǒng)、尖端材料等眾多領(lǐng)域的頂級(jí)技術(shù)，且很多技術(shù)都越來越接近工程極限。為實(shí)現(xiàn)高制程精度，先進(jìn)陶瓷作為關(guān)鍵部件材料在以光刻機(jī)為代表的半導(dǎo)體裝備中得以大量應(yīng)用。
作為半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備的關(guān)鍵部件，先進(jìn)陶瓷材料的研發(fā)生產(chǎn)直接影響著半導(dǎo)體裝備制造業(yè)乃至整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。我國(guó)在半導(dǎo)體設(shè)備方面起步較晚，在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。因此，無論從經(jīng)濟(jì)安全角度還是產(chǎn)業(yè)成本角度考慮，要突破我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)面臨的“卡脖子”窘境，必須重視先進(jìn)陶瓷部件等半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備關(guān)鍵材料的國(guó)產(chǎn)化發(fā)展。
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