中国粉体网讯 半导体产业是关乎国家经济、政治和国防安全的战略产业，在半导体产业中，以光刻机为代表的核心装备是现代技术高度集成的产物，涉及光学、材料学、计算机科学等诸多学科，其设计和制造过程均能体现出相关科学技术领域的最高水平，该设备对精密结构件也提出了极高的要求。先进陶瓷作为第三代新兴材料，已经被引入到光刻设备之中，充当着极其重要的角色。
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碳化硅陶瓷——光刻机用精密陶瓷部件的首选材料
在高端光刻机中，涉及高效率、高精度、高稳定性的运动控制技术和驱动技术，对结构件的精度和结构材料的性能提出了极高的要求。
碳化硅陶瓷具有极高的弹性模量、导热系数和较低的热膨胀系数，不易产生弯曲应力变形和热应变，并且具有极佳的可抛光性，可以通过机械加工至优良的镜面，因此采用碳化硅陶瓷作为光刻机等半导体关键装备用精密结构件材料具有极大的优势。半导体制造装备所需要的碳化硅陶瓷零部件包括：工件台、导轨、反射镜、手臂、Block、磁钢骨架、吸盘、水冷板、气浮板等。
碳化硅多孔吸盘，碳化硅组合式框架
（图片来源：中国建筑材料科学研究总院）
碳化硅水冷骨架
（图片来源：中国建筑材料科学研究总院）
方镜、微动台本体组件
（图片来源：中国建筑材料科学研究总院）
这些部件具有如下结构特点：
①制品尺寸大、厚度大；
②中空闭孔结构；
③薄壁、薄板结构；
④高度轻量化；
⑤高形位精度；
⑥良好光学性能。
这些特点为碳化硅陶瓷零部件带来极大的制造难度，限制了碳化硅陶瓷在高端装备制造领域中的广泛应用。目前只有日本、美国等少数几个发达国家的少数企业（如日本的Kyocera、美国的CoorsTek等）成功地将碳化硅陶瓷材料应用于半导体关键装备中。
堇青石陶瓷——光刻机移动平台材料
光刻机移动平台的材料体系设计是光刻机获得高精度、高速度的关键。为了有效抵抗移动平台在扫描过程中由于高速移动而产生的变形，平台材料应包括具有较高比刚度的低热膨胀材料，即此类材料具备高模量的同时还应满足低密度的需求。另外，材料还需要较高的比刚度，这能够使整个平台在承受更高加速度和速度的同时保持相同的失真水平。通过在不增加失真的情况下以更高的速度转换掩模，增加吞吐量，在保证高精度的同时提高工作效率。
早期的光刻设备选用的是德国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的应用最多。这种玻璃陶瓷材料的热膨胀系数在大范围的工作温度下基本为零，具备一定的强度和硬度，但在实际应用过程中其弹性模量较低，在维持所需刚度的同时需要增加厚度，即无法实现轻量化，逐渐难以满足光刻机移动平台的高速及高精度的需求。而且微晶玻璃在EUV离子束蚀刻过程中很容易发生磨损，从而导致精度下降。
随着人们对高端、超高端光刻机日益增加的需求，国外ASML、NIKON和CANON等公司相继开始研发新的材料体系作为光刻机的平台结构材料。其中堇青石是高温领域最常用的低热膨胀陶瓷，由于密度低、弹性模量高而备受关注。
光刻机移动平台用低热膨胀材料性能对比
同时堇青石材料的低热膨胀系数与Zerodur相当，同样具备良好的热稳定性，此外，堇青石的导热系数几乎是Zerodur的三倍，这决定了材料在使用过程中能够更大程度地散热，从而更好地满足热稳定性需求。堇青石具备高的弹性模量，可以有效抵制平台高速移动扫描过程中的变形，增加稳定性。在满足刚度条件的基础上，选择堇青石材料作为平台基板材料，所需的质量远远小于微晶玻璃和石英玻璃材料作为平台结构材料，从而实现轻量化需求。因此，各国研究人员逐渐发现，堇青石作为一种新型的半导体光刻机平台材料具有良好的应用前景。
ASML公司很早便开始了其在光刻机平台材料的应用研发，使得光刻机移动平台结构材料不断更新完善。近年来该公司公开的多项专利均涉及堇青石陶瓷在高端光刻机平台材料中的应用研究，如今ASML公司已实现堇青石材料在光刻机移动平台部件中的成熟应用及推广。
图片京瓷半导体制造装置用镜（堇青石）
除了应用于移动平台，堇青石陶瓷还可以应用于反射镜及掩膜版等。目前国际主流集成电路装备制造商，如荷兰ASML，日本NIKON、CANON等公司大量采用微晶玻璃、堇青石等材料制备光刻机反射镜。美国Zygo公司于2015年公开了一种以堇青石陶瓷为主要成分的光刻机掩膜版材料，该掩膜版由经过精细抛光的堇青石底层衬板，以及堇青石衬板上面的反射层、中间覆盖层和吸收减震层等材料组成。该掩膜版选用的堇青石陶瓷衬板的弹性模量为120～150GPa，体积密度为2.5～2.7g/cm3，热膨胀系数为0.2×10-6/℃，热导率为3～5W/(m·K)，厚度小于0.635cm。
压电陶瓷：保证光刻投影物镜接近“零像差”
光刻机作为迄今为止人类所能制造的最精密装备之一，其光刻投影物镜的波像差需要控制到亚纳米量级，接近“零像差”，同时其工件台与掩膜台需要有极高的加速度及纳米量级的同步精度。再者，在高速曝光过程中，硅片面要求始终保持在投影物镜~100nm的焦深范围内。随着半导体制程逐渐逼近5nm的物理极限，光刻机的设计难度与加工精度也呈指数级增加，纳米级定位、亚纳米级加工精度、运行环境的精确控制等对光刻机技术的发展而言都是极大的挑战。
美国TMC公司生产的STACISIII型压电式主动减振器
在光刻机的制造与应用过程中，投影物镜的纳米级精细调节、曝光过程中掩模台/工件台的精确定位、光刻机的主动减振等方面都可能使用到压电驱动技术，从而保证光刻机的成像质量、分辨率与稳定性。其中，压电陶瓷材料以其无磁性干扰、定位分辨率高、发热量小等特点广泛用于光刻机投影物镜中像差补偿镜的定位执行器。目前商用的多层压电驱动器多采用固溶或掺杂改性后锆钛酸铅（PZT）基压电材料。
小结
光刻机的研发是一项极为复杂的系统工程，汇集了光学、精密加工、控制系统、尖端材料等众多领域的顶级技术，且很多技术都越来越接近工程极限。为实现高制程精度，先进陶瓷作为关键部件材料在以光刻机为代表的半导体装备中得以大量应用。
作为半导体生产设备的关键部件，先进陶瓷材料的研发生产直接影响着半导体装备制造业乃至整个半导体产业链的发展。我国在半导体设备方面起步较晚，在陶瓷零部件的制备领域有诸多关键技术问题有待突破。因此，无论从经济安全角度还是产业成本角度考虑，要突破我国半导体产业面临的“卡脖子”窘境，必须重视先进陶瓷部件等半导体生产设备关键材料的国产化发展。
参考来源：
[1]张丛等.堇青石材料在光刻机领域的应用进展
[2]杜刚等.多层压电驱动器在光刻机中的应用
[3]刘海林等.光刻机用精密碳化硅陶瓷部件制备技术
（中国粉体网编辑整理/山川）
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