中国粉体网讯 以光刻机为代表的集成电路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40多个学科。
在60余年的发展历程中，光刻机（包括其零部件）不断挑战人类超精密制造装备的极限，被誉为“现代光学工业之花”，芯片产业“皇冠上的明珠”。
01.移动平台：纳米级精度的极限拉扯
移动平台是光刻机的重要系统，对光刻机的运行精度影响甚大，这就需要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。
以光刻机中工件台为例，其主要功能是在光刻过程中承载晶圆，完成曝光运动，要求实现高速、大行程、六自由度的纳米级超精密运动，如对于100nm分辨率、套刻精度为33nm和线宽为10nm的光刻机，其工件台定位精度要求达到10nm，掩模-硅片同时步进和扫描速度分别达到150nm/s和120nm/s，掩模扫描速度接近500nm/s，并且要求工件台具有非常高的运动精度和平稳性。
碳化硅气浮导轨及超精密气浮运动系统（图片来源：中国建材总院）
而精准度会受到很多因素的影响。比如，光刻机在加工芯片时会产生大量的热。而我们知道，普通的材料都会有热膨冷缩的效应。因此一受热，尺寸大小会发生明显的改变。如果用膨胀系数大的材料制作工件台，其精准度无法保证。
为满足使用条件，对光刻机而言，移动平台的材料体系设计成为了光刻机获得高精度、高速度的关键。
一般来讲，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满足低密度的需求，同时还有保证较高的导热性能。
02.被“pass”掉的平台材料
早期的光刻设备选用的是微晶玻璃(Zerodur)、石英玻璃以及ULE玻璃等材料，其中Zerodur的应用最多。
这种微晶玻璃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。
此外，在将Zerodur应用于超高端EUV光刻设备的研发过程中，作为EUV光刻机的镜面衬底材料，Zerodur需要具备极低的基板表面粗糙度(EUV光刻的基片需要0.1nm的均方根粗糙度)，尽管微晶玻璃可以实现0.1nm的均方根粗糙度，但微晶玻璃在EUV离子束蚀刻过程中很容易发生磨损，从而导致精度下降，因此寻求新的合适的材料体系满足高端光刻机的使用需求成为研究人员继续解决的新难题。
0.3陶瓷材料成“终极密码”
陶瓷材料一般具有高的弹性模量和比刚度，不易变形，并且具有较高的导热系数和低的热膨胀系数，热稳定性高，如氧化铝陶瓷、碳化硅陶瓷、氧化锆陶瓷、堇青石陶瓷等均在光刻机中被使用。
其中，光刻机的移动平台使用较多的有碳化硅陶瓷、堇青石陶瓷。
碳化硅陶瓷
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；因此采用碳化硅作为光刻机等集成电路关键装备用精密结构件材料具有极大的优势。
在光刻机移动平台中，碳化硅陶瓷被广泛地应用于导轨、工件台的制作。
堇青石陶瓷
最突出的优点就是热膨胀系数低，一般小于2×106K-1。热膨胀系数是单位温度变化引起的长度或体积的相对变化率，热膨胀系数小于2×10-6K-1，就意味着材料在温度变化1℃时，其长度或体积的变化量非常小，几乎可以忽略不计。
几种低热膨胀材料性能对比
更难得的是，堇青石陶瓷的热膨胀系数是可以调节的。比如，加入少量钾离子，就可以使其热膨胀系数降低，最低可以降低至 0.4×10-6K-1 左右，比普通的堇青石陶瓷的低一个数量级。
此外，堇青石材料的弹性模量远远超过了Zerodur(即大约增加了55%)，而密度只是略高于Zerodur。同时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。
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，尤其是在作为EUV光刻机移动平台材料时，不会因EUV射线的影响而发生变形。
总之，堇青石作为一种低热膨胀陶瓷，延续陶瓷材料优良力学性能的同时，又具有和微晶玻璃相媲美的低热膨胀特性，还具备较高的热导率，利于散热，备受各国光刻机研发公司的青睐。例如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。
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]刘海林等.光刻机用精密碳化硅陶瓷部件制备技术
[3]中国粉体网
（中国粉体网/山川）
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