光刻机精密碳化硅陶瓷部件揭秘

在IC 产业中，集成电路制造装备具有极其重要的战略地位，集成电路制造关键技术及装备主要有包括光刻技术及光刻装备、薄膜生长技术及装备、化学机械抛光技术及装备、高密度后封装技术及装备等，均涉及高效率、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。

1、半导体装备用精密陶瓷结构件的特点要求

集成电路制造关键装备要求零部件材料具有高纯度、高致密度、高强度、高弹性模量、高导热系数和低热膨胀系数等特点，且且结构件要具有极高的尺寸精度和结构复杂性，以保证设备实现超精密运动和控制。

以光刻机中工件台为例，工件台的主要功能是承载硅片和掩膜并完成曝光过程，其性能直接影响产率和分辨率。要求工作台能够实现高速平稳的大行程和六自由度的纳米级超精密运动，如对于100 nm 分辨率、套刻精度为33 nm 和线宽为10 nm 的光刻机，其工件台定位精度要求达到10 nm，掩模-硅片同时步进和扫描速度分别达到150 nm/s 和120 nm/s，掩模扫描速度接近500 nm/s，并且要求工件台具有非常高的运动精度和平稳性。

因此，工件台用精密结构件需满足以下要求：

(1) 高度轻量化：为降低运动惯量，减轻电机负载，提高运动效率、定位精度和稳定性，结构件普遍采用轻量化结构设计，其轻量化率为60% ~ 80%，最高可达到90%；

(2) 高形位精度：为实现高精度运动和定位，要求结构件具有极高的形位精度，平面度、平行度、垂直度要求小于1 μm，形位精度要求小于5 μm；

(3) 高尺寸稳定性：为实现高精度运动和定位，要求结构件具有极高的尺寸稳定性，不易产生应变，且导热系数高、热膨胀系数低，不易产生大的尺寸变形；

(4) 清洁无污染：要求结构件具有极低的摩擦系数，运动过程中动能损失小，且无磨削颗粒的污染。

2、碳化硅陶瓷在光刻机上的应用

碳化硅是一种性能优异的结构陶瓷材料，具有高强度、高硬度、高弹性模量、高比刚度、高导热系数、低热膨胀系数和优良的化学稳定性，被广泛应用于石油化工、机械制造、核工业、微电子工业等领域。碳化硅具有极高的弹性模量、导热系数和适中的热膨胀系数，具有极佳的可抛光性，可加工成优质的镜面，且不易产生变形和热应变。通过特殊的减重结构设计，可以实现结构件的高度轻量化，在集成电路制造装备领域应用广泛。

碳化硅陶瓷具有优良的常温力学性能 、优异的高温稳定性以及良好的比刚度和光学加工性能，特别适合用于制备光刻机等集成电路装备用精密陶瓷结构件，如光刻机用SiC陶瓷工件台、导轨、反射镜、陶瓷吸盘、手臂、水冷盘、吸盘等。

3、半导体装备用碳化硅结构件的技术难点

集成电路核心装备用精密陶瓷结构件多具有“大、厚、空、薄、轻、精”的特点，但是，由于碳化硅是Si-C 键很强的共价键化合物，具有极高的硬度和显著的脆性，精密加工难度大；此外，碳化硅熔点高，难以实现致密、近净尺寸烧结。在制备碳化硅结构件时，存在诸多技术难点与挑战：

（1）如何实现中空闭孔结构，以达到高度轻量化的目标，对于具有中空闭孔结构的金属结构件，通常采用钎焊和扩散焊工艺；但对于具有复杂和不成熟，易形成明显的连接界面，造成连接层与基体的组成和性能差异较大等问题。

（2）如何实现碳化硅结构件的高形位精度，以实现高精度运动和定位的目标。碳化硅的硬度仅次于金刚石，导致碳化硅结构件的加工效率低、加工成本高，因此碳化硅结构件高形位精度的实现也是一个技术难点，尤其是在制备具有大尺寸、超薄、复杂结构特征的样品和具有中空闭孔结构的样品时，该问题尤为突出。

（3）如何减少或避免碳化硅制品在成型、干燥、烧结及后续精密加工过程中的残余应力，提高制品质量和成品率。碳化硅坯体在干燥和烧结过程中，因为水分的排除和有机物的烧失，容易产生不均匀的收缩，造成坯体出现出现开裂和变形等缺陷，并在坯体内部引入残余应力，且在烧结后的精密加工过程中，有可能引发制品内部的裂纹扩展，导致裂纹等缺陷，降低制品的成品率。

大尺寸、复杂异形中空结构的精密碳化硅结构件的制备难度较高，目前集成电路制造装备用碳化硅陶瓷市场主要由国外企业占据，日本Kyocera、美国CoorsTek等，国内有中国建材总院、宁波伏尔肯等。我国在集成电路装备用精密碳化硅结构件的制备技术和应用推广研究起步较晚，与国际领先企业仍有差距。

审核编辑：黄飞