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在 IC 產(chǎn)業(yè)中，集成電路制造裝備具有極其重要的戰(zhàn)略地位，集成電路制造關鍵技術及裝備主要有包括光刻技術及光刻裝備、薄膜生長技術及裝備、化學機械拋光技術及裝備、高密度后封裝技術及裝備等，均涉及高效率、高精度、高穩(wěn)定性的運動控制技術和驅(qū)動技術，對結(jié)構(gòu)件的精度和結(jié)構(gòu)材料的性能提出了極高的要求。

1、半導體裝備用精密陶瓷結(jié)構(gòu)件的特點要求

集成電路制造關鍵裝備要求零部件材料具有高純度、高致密度、高強度、高彈性模量、高導熱系數(shù)和低熱膨脹系數(shù)等特點，且且結(jié)構(gòu)件要具有極高的尺寸精度和結(jié)構(gòu)復雜性，以保證設備實現(xiàn)超精密運動和控制。

圖?EUV光刻系統(tǒng)，來源ASML

以光刻機中工件臺為例，工件臺的主要功能是承載硅片和掩膜并完成曝光過程，其性能直接影響產(chǎn)率和分辨率。要求工作臺能夠?qū)崿F(xiàn)高速平穩(wěn)的大行程和六自由度的納米級超精密運動，如對于 100 nm 分辨率、套刻精度為 33 nm 和線寬為 10 nm 的光刻機，其工件臺定位精度要求達到 10 nm，掩模-硅片同時步進和掃描速度分別達到 150 nm/s 和 120 nm/s，掩模掃描速度接近 500 nm/s，并且要求工件臺具有非常高的運動精度和平穩(wěn)性。

圖??典型的光刻機工件臺及框架設計
因此，工件臺用精密結(jié)構(gòu)件需滿足以下要求：
(1)高度輕量化：為降低運動慣量，減輕電機負載，提高運動效率、定位精度和穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)件普遍采用輕量化結(jié)構(gòu)設計，其輕量化率為 60%?~ 80%，最高可達到 90%；
(2)高形位精度：為實現(xiàn)高精度運動和定位，要求結(jié)構(gòu)件具有極高的形位精度，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)高尺寸穩(wěn)定性：為實現(xiàn)高精度運動和定位，要求結(jié)構(gòu)件具有極高的尺寸穩(wěn)定性，不易產(chǎn)生應變，且導熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)低，不易產(chǎn)生大的尺寸變形；
(4)清潔無污染：要求結(jié)構(gòu)件具有極低的摩擦系數(shù)，運動過程中動能損失小，且無磨削顆粒的污染。

2、碳化硅陶瓷在光刻機上的應用

碳化硅是一種性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)陶瓷材料，具有高強度、高硬度、高彈性模量、高比剛度、高導熱系數(shù)、低熱膨脹系數(shù)和優(yōu)良的化學穩(wěn)定性，被廣泛應用于石油化工、機械制造、核工業(yè)、微電子工業(yè)等領域。碳化硅具有極高的彈性模量、導熱系數(shù)和適中的熱膨脹系數(shù)，具有極佳的可拋光性，可加工成優(yōu)質(zhì)的鏡面，且不易產(chǎn)生變形和熱應變。通過特殊的減重結(jié)構(gòu)設計，可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)件的高度輕量化，在集成電路制造裝備領域應用廣泛。
碳化硅陶瓷具有優(yōu)良的常溫力學性能、優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性以及良好的比剛度和光學加工性能，特別適合用于制備光刻機等集成電路裝備用精密陶瓷結(jié)構(gòu)件，如光刻機用SiC陶瓷工件臺、導軌、反射鏡、陶瓷吸盤、手臂、水冷盤、吸盤等。

圖 ?光刻機用碳化硅水冷盤和吸盤，圖源：伏爾肯招股書

3、半導體裝備用碳化硅結(jié)構(gòu)件的技術難點

集成電路核心裝備用精密陶瓷結(jié)構(gòu)件多具有“大、厚、空、薄、輕、精”的特點，但是，由于碳化硅是 Si-C 鍵很強的共價鍵化合物，具有極高的硬度和顯著的脆性，精密加工難度大；此外，碳化硅熔點高，難以實現(xiàn)致密、近凈尺寸燒結(jié)。在制備碳化硅結(jié)構(gòu)件時，存在諸多技術難點與挑戰(zhàn)：

（1）如何實現(xiàn)中空閉孔結(jié)構(gòu)，以達到高度輕量化的目標，對于具有中空閉孔結(jié)構(gòu)的金屬結(jié)構(gòu)件，通常采用釬焊和擴散焊工藝；但對于具有復雜和不成熟，易形成明顯的連接界面，造成連接層與基體的組成和性能差異較大等問題。

（2）如何實現(xiàn)碳化硅結(jié)構(gòu)件的高形位精度，以實現(xiàn)高精度運動和定位的目標。碳化硅的硬度僅次于金剛石，導致碳化硅結(jié)構(gòu)件的加工效率低、加工成本高，因此碳化硅結(jié)構(gòu)件高形位精度的實現(xiàn)也是一個技術難點，尤其是在制備具有大尺寸、超薄、復雜結(jié)構(gòu)特征的樣品和具有中空閉孔結(jié)構(gòu)的樣品時，該問題尤為突出。

（3）如何減少或避免碳化硅制品在成型、干燥、燒結(jié)及后續(xù)精密加工過程中的殘余應力，提高制品質(zhì)量和成品率。碳化硅坯體在干燥和燒結(jié)過程中，因為水分的排除和有機物的燒失，容易產(chǎn)生不均勻的收縮，造成坯體出現(xiàn)出現(xiàn)開裂和變形等缺陷，并在坯體內(nèi)部引入殘余應力，且在燒結(jié)后的精密加工過程中，有可能引發(fā)制品內(nèi)部的裂紋擴展，導致裂紋等缺陷，降低制品的成品率。
大尺寸、復雜異形中空結(jié)構(gòu)的精密碳化硅結(jié)構(gòu)件的制備難度較高，目前集成電路制造裝備用碳化硅陶瓷市場主要由國外企業(yè)占據(jù)，日本Kyocera、美國CoorsTek等，國內(nèi)有中國建材總院、寧波伏爾肯等。我國在集成電路裝備用精密碳化硅結(jié)構(gòu)件的制備技術和應用推廣研究起步較晚，與國際領先企業(yè)仍有差距。

資料來源：

《光刻機用精密碳化硅陶瓷部件制備技術》，劉海林，霍艷麗，胡傳奇等；

《聚焦集成電路核心裝備用精密碳化硅結(jié)構(gòu)件》，胡傳奇.

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作者 ab

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