光刻機(jī)精密碳化硅陶瓷部件揭秘

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(guān)鍵技術(shù)及裝備主要有包括光刻技術(shù)及光刻裝備、薄膜生長(zhǎng)技術(shù)及裝備、化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)及裝備、高密度后封裝技術(shù)及裝備等，均涉及高效率、高精度、高穩(wěn)定性的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)和驅(qū)動(dòng)技術(shù)，對(duì)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(dǎo)體裝備用精密陶瓷結(jié)構(gòu)件的特點(diǎn)要求

集成電路制造關(guān)鍵裝備要求零部件材料具有高純度、高致密度、高強(qiáng)度、高彈性模量、高導(dǎo)熱系數(shù)和低熱膨脹系數(shù)等特點(diǎn)，且且結(jié)構(gòu)件要具有極高的尺寸精度和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，以保證設(shè)備實(shí)現(xiàn)超精密運(yùn)動(dòng)和控制。

以光刻機(jī)中工件臺(tái)為例，工件臺(tái)的主要功能是承載硅片和掩膜并完成曝光過(guò)程，其性能直接影響產(chǎn)率和分辨率。要求工作臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)高速平穩(wěn)的大行程和六自由度的納米級(jí)超精密運(yùn)動(dòng)，如對(duì)于100 nm 分辨率、套刻精度為33 nm 和線寬為10 nm 的光刻機(jī)，其工件臺(tái)定位精度要求達(dá)到10 nm，掩模-硅片同時(shí)步進(jìn)和掃描速度分別達(dá)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(tái)具有非常高的運(yùn)動(dòng)精度和平穩(wěn)性。

因此，工件臺(tái)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(yùn)動(dòng)慣量，減輕電機(jī)負(fù)載，提高運(yùn)動(dòng)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(shè)計(jì)，其輕量化率為60%?~ 80%，最高可達(dá)到90%；

(2)?高形位精度：為實(shí)現(xiàn)高精度運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)高精度運(yùn)動(dòng)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(yīng)變，且導(dǎo)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(wú)污染：要求結(jié)構(gòu)件具有極低的摩擦系數(shù)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中動(dòng)能損失小，且無(wú)磨削顆粒的污染。

2、碳化硅陶瓷在光刻機(jī)上的應(yīng)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(qiáng)度、高硬度、高彈性模量、高比剛度、高導(dǎo)熱系數(shù)、低熱膨脹系數(shù)和優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，被廣泛應(yīng)用于石油化工、機(jī)械制造、核工業(yè)、微電子工業(yè)等領(lǐng)域。碳化硅具有極高的彈性模量、導(dǎo)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(yīng)變。通過(guò)特殊的減重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件的高度輕量化，在集成電路制造裝備領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

碳化硅陶瓷具有優(yōu)良的常溫力學(xué)性能?、優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性以及良好的比剛度和光學(xué)加工性能，特別適合用于制備光刻機(jī)等集成電路裝備用精密陶瓷結(jié)構(gòu)件，如光刻機(jī)用SiC陶瓷工件臺(tái)、導(dǎo)軌、反射鏡、陶瓷吸盤(pán)、手臂、水冷盤(pán)、吸盤(pán)等。

3、半導(dǎo)體裝備用碳化硅結(jié)構(gòu)件的技術(shù)難點(diǎn)

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(diǎn)，但是，由于碳化硅是Si-C 鍵很強(qiáng)的共價(jià)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(diǎn)高，難以實(shí)現(xiàn)致密、近凈尺寸燒結(jié)。在制備碳化硅結(jié)構(gòu)件時(shí)，存在諸多技術(shù)難點(diǎn)與挑戰(zhàn)：

（1）如何實(shí)現(xiàn)中空閉孔結(jié)構(gòu)，以達(dá)到高度輕量化的目標(biāo)，對(duì)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(kuò)散焊工藝；但對(duì)于具有復(fù)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(wèn)題。

（2）如何實(shí)現(xiàn)碳化硅結(jié)構(gòu)件的高形位精度，以實(shí)現(xiàn)高精度運(yùn)動(dòng)和定位的目標(biāo)。碳化硅的硬度僅次于金剛石，導(dǎo)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(shí)現(xiàn)也是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，尤其是在制備具有大尺寸、超薄、復(fù)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(shí)，該問(wèn)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(guò)程中的殘余應(yīng)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(guò)程中，因?yàn)樗值呐懦陀袡C(jī)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(kāi)裂和變形等缺陷，并在坯體內(nèi)部引入殘余應(yīng)力，且在燒結(jié)后的精密加工過(guò)程中，有可能引發(fā)制品內(nèi)部的裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致裂紋等缺陷，降低制品的成品率。

大尺寸、復(fù)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(chǎng)主要由國(guó)外企業(yè)占據(jù)，日本Kyocera、美國(guó)CoorsTek等，國(guó)內(nèi)有中國(guó)建材總院、寧波伏爾肯等。我國(guó)在集成電路裝備用精密碳化硅結(jié)構(gòu)件的制備技術(shù)和應(yīng)用推廣研究起步較晚，與國(guó)際領(lǐng)先企業(yè)仍有差距。

審核編輯：黃飛

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