中國(guó)粉體網(wǎng)訊 以光刻機(jī)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(xué)、材料學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等40多個(gè)學(xué)科。
在60余年的發(fā)展歷程中，光刻機(jī)（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(yù)為“現(xiàn)代光學(xué)工業(yè)之花”，芯片產(chǎn)業(yè)“皇冠上的明珠”。
01.移動(dòng)平臺(tái)：納米級(jí)精度的極限拉扯
移動(dòng)平臺(tái)是光刻機(jī)的重要系統(tǒng)，對(duì)光刻機(jī)的運(yùn)行精度影響甚大，這就需要有效抵抗移動(dòng)平臺(tái)在掃描過(guò)程中由于高速移動(dòng)而產(chǎn)生的變形。
以光刻機(jī)中工件臺(tái)為例，其主要功能是在光刻過(guò)程中承載晶圓，完成曝光運(yùn)動(dòng)，要求實(shí)現(xiàn)高速、大行程、六自由度的納米級(jí)超精密運(yùn)動(dòng)，如對(duì)于100nm分辨率、套刻精度為33nm和線寬為10nm的光刻機(jī)，其工件臺(tái)定位精度要求達(dá)到10nm，掩模-硅片同時(shí)步進(jìn)和掃描速度分別達(dá)到150nm/s和120nm/s，掩模掃描速度接近500nm/s，并且要求工件臺(tái)具有非常高的運(yùn)動(dòng)精度和平穩(wěn)性。
碳化硅氣浮導(dǎo)軌及超精密氣浮運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)（圖片來(lái)源：中國(guó)建材總院）
而精準(zhǔn)度會(huì)受到很多因素的影響。比如，光刻機(jī)在加工芯片時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱。而我們知道，普通的材料都會(huì)有熱膨冷縮的效應(yīng)。因此一受熱，尺寸大小會(huì)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(tái)，其精準(zhǔn)度無(wú)法保證。
為滿足使用條件，對(duì)光刻機(jī)而言，移動(dòng)平臺(tái)的材料體系設(shè)計(jì)成為了光刻機(jī)獲得高精度、高速度的關(guān)鍵。
一般來(lái)講，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)滿足低密度的需求，同時(shí)還有保證較高的導(dǎo)熱性能。
02.被“pass”掉的平臺(tái)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(qiáng)度和硬度，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)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(wú)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。
此外，在將Zerodur應(yīng)用于超高端EUV光刻設(shè)備的研發(fā)過(guò)程中，作為EUV光刻機(jī)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(shí)現(xiàn)0.1nm的均方根粗糙度，但微晶玻璃在EUV離子束蝕刻過(guò)程中很容易發(fā)生磨損，從而導(dǎo)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(jī)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(dǎo)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(jī)中被使用。
其中，光刻機(jī)的移動(dòng)平臺(tái)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(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(guò)機(jī)械加工至優(yōu)良的鏡面；因此采用碳化硅作為光刻機(jī)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(shì)。
在光刻機(jī)移動(dòng)平臺(tái)中，碳化硅陶瓷被廣泛地應(yīng)用于導(dǎo)軌、工件臺(tái)的制作。
堇青石陶瓷
最突出的優(yōu)點(diǎn)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(zhǎng)度或體積的相對(duì)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(shí)，其長(zhǎng)度或體積的變化量非常小，幾乎可以忽略不計(jì)。
幾種低熱膨脹材料性能對(duì)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(gè)數(shù)量級(jí)。
此外，堇青石材料的彈性模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了Zerodur(即大約增加了55%)，而密度只是略高于Zerodur。同時(shí)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(guò)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(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，尤其是在作為EUV光刻機(jī)移動(dòng)平臺(tái)材料時(shí)，不會(huì)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(xué)性能的同時(shí)，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(dǎo)率，利于散熱，備受各國(guó)光刻機(jī)研發(fā)公司的青睞。例如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。
參考來(lái)源：
[1]張叢等.堇青石材料在光刻機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展
[2]劉海林等.光刻機(jī)用精密碳化硅陶瓷部件制備技術(shù)
[3]中國(guó)粉體網(wǎng)
（中國(guó)粉體網(wǎng)/山川）
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