中國粉體網(wǎng)訊 以光刻機為代表的集成電路核心裝備是現(xiàn)代技術(shù)高度集成的產(chǎn)物，涉及光學、材料學、計算機科學等40多個學科。
在60余年的發(fā)展歷程中，光刻機（包括其零部件）不斷挑戰(zhàn)人類超精密制造裝備的極限，被譽為“現(xiàn)代光學工業(yè)之花”，芯片產(chǎn)業(yè)“皇冠上的明珠”。
01.移動平臺：納米級精度的極限拉扯
移動平臺是光刻機的重要系統(tǒng)，對光刻機的運行精度影響甚大，這就需要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。
以光刻機中工件臺為例，其主要功能是在光刻過程中承載晶圓，完成曝光運動，要求實現(xiàn)高速、大行程、六自由度的納米級超精密運動，如對于100nm分辨率、套刻精度為33nm和線寬為10nm的光刻機，其工件臺定位精度要求達到10nm，掩模-硅片同時步進和掃描速度分別達到150nm/s和120nm/s，掩模掃描速度接近500nm/s，并且要求工件臺具有非常高的運動精度和平穩(wěn)性。
碳化硅氣浮導軌及超精密氣浮運動系統(tǒng)（圖片來源：中國建材總院）
而精準度會受到很多因素的影響。比如，光刻機在加工芯片時會產(chǎn)生大量的熱。而我們知道，普通的材料都會有熱膨冷縮的效應(yīng)。因此一受熱，尺寸大小會發(fā)生明顯的改變。如果用膨脹系數(shù)大的材料制作工件臺，其精準度無法保證。
為滿足使用條件，對光刻機而言，移動平臺的材料體系設(shè)計成為了光刻機獲得高精度、高速度的關(guān)鍵。
一般來講，平臺材料應(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滿足低密度的需求，同時還有保證較高的導熱性能。
02.被“pass”掉的平臺材料
早期的光刻設(shè)備選用的是微晶玻璃(Zerodur)、石英玻璃以及ULE玻璃等材料，其中Zerodur的應(yīng)用最多。
這種微晶玻璃材料的熱膨脹系數(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(yīng)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。
此外，在將Zerodur應(yīng)用于超高端EUV光刻設(shè)備的研發(fā)過程中，作為EUV光刻機的鏡面襯底材料，Zerodur需要具備極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)，盡管微晶玻璃可以實現(xiàn)0.1nm的均方根粗糙度，但微晶玻璃在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，因此尋求新的合適的材料體系滿足高端光刻機的使用需求成為研究人員繼續(xù)解決的新難題。
0.3陶瓷材料成“終極密碼”
陶瓷材料一般具有高的彈性模量和比剛度，不易變形，并且具有較高的導熱系數(shù)和低的熱膨脹系數(shù)，熱穩(wěn)定性高，如氧化鋁陶瓷、碳化硅陶瓷、氧化鋯陶瓷、堇青石陶瓷等均在光刻機中被使用。
其中，光刻機的移動平臺使用較多的有碳化硅陶瓷、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(yīng)力變形和熱應(yīng)變，并且具有極佳的可拋光性，可以通過機械加工至優(yōu)良的鏡面；因此采用碳化硅作為光刻機等集成電路關(guān)鍵裝備用精密結(jié)構(gòu)件材料具有極大的優(yōu)勢。
在光刻機移動平臺中，碳化硅陶瓷被廣泛地應(yīng)用于導軌、工件臺的制作。
堇青石陶瓷
最突出的優(yōu)點就是熱膨脹系數(shù)低，一般小于2×106K-1。熱膨脹系數(shù)是單位溫度變化引起的長度或體積的相對變化率，熱膨脹系數(shù)小于2×10-6K-1，就意味著材料在溫度變化1℃時，其長度或體積的變化量非常小，幾乎可以忽略不計。
幾種低熱膨脹材料性能對比
更難得的是，堇青石陶瓷的熱膨脹系數(shù)是可以調(diào)節(jié)的。比如，加入少量鉀離子，就可以使其熱膨脹系數(shù)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個數(shù)量級。
此外，堇青石材料的彈性模量遠遠超過了Zerodur(即大約增加了55%)，而密度只是略高于Zerodur。同時堇青石的導熱系數(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。
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(yīng)用前景，尤其是在作為EUV光刻機移動平臺材料時，不會因EUV射線的影響而發(fā)生變形。
總之，堇青石作為一種低熱膨脹陶瓷，延續(xù)陶瓷材料優(yōu)良力學性能的同時，又具有和微晶玻璃相媲美的低熱膨脹特性，還具備較高的熱導率，利于散熱，備受各國光刻機研發(fā)公司的青睞。例如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(yīng)用及推廣。
參考來源：
[1]張叢等.堇青石材料在光刻機領(lǐng)域的應(yīng)用進展
[2]劉海林等.光刻機用精密碳化硅陶瓷部件制備技術(shù)
[3]中國粉體網(wǎng)
（中國粉體網(wǎng)/山川）
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