光刻机需要半导体陶瓷吗
碳化硅陶瓷—光刻机用精密陶瓷部件的首选材料
jensoil
道法自然
来自专栏半导体产业和投融资
本文来自中国粉体网
近几年，光刻机的确是个热词，不论业内业外，都对其非常关注，“有井水处即有光刻机”说的毫不夸张。据说有位半导体领域的专家去理发时，理发小哥也会滔滔不绝的和他交流光刻机。
而在材料领域，碳化硅的“火”有过之而无不及，其本身作为一种优良的陶瓷材料，性能与应用不断地被的开发，尤其是随着集成电路的快速发展，碳化硅作为第三代半导体材料更是一跃成为最受瞩目的材料之一。
光刻机和碳化硅之间又有什么神秘关系呢？
这还要从刚才讲到的集成电路说起。集成电路产业(即IC产业)是关乎国家经济、政治和国防安全的战略产业，在IC产业中，集成电路制造装备具有极其重要的战略地位。集成电路关键装备的发展除先进设计、精密控制技术外，关键零部件制备技术制约也是严重影响集成电路先进制造装备国产化进程的一大问题。
12英寸硅片用碳化硅真空吸盘
关键零部件具有举足轻重的作用，要求结构件材料具有高纯度、高致密度、高强度、高弹性模量、高导热系数及低热膨胀系数等特点，且结构件要具有极高的尺寸精度和结构复杂性。例如在高端光刻机中，为实现高制程精度，需要广泛采用具有良好的功能复合性、结构稳定性、热稳定性、尺寸精度的陶瓷零部件，如E-chuck、Vacumm-chuck、Block、磁钢骨架水冷板、反射镜、导轨等。
碳化硅陶瓷正是光刻机用精密陶瓷部件的首选材料！
碳化硅陶瓷具有高的弹性模量和比刚度，不易变形，并且具有较高的导热系数和低的热膨胀系数，热稳定性高，因此碳化硅陶瓷是一种优良的结构材料，目前已经广泛应用于航空、航天、石油化工、机械制造、核工业、微电子工业等领域。
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。因此，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，限制了碳化硅陶瓷在诸如集成电路这类的高端装备制造领域中的广泛应用。目前只有日本、美国等少数几个发达国家的少数企业(如日本的Kyocera、美国的CoorsTek等)成功地将碳化硅陶瓷材料应用于集成电路制造关键装备中，如光刻机用碳化硅工件台、导轨、反射镜、陶瓷吸盘、手臂等。
碳化硅工件台
光刻机中工件台主要负责完成曝光运动，要求实现高速、大行程、六自由度的纳米级超精密运动，如对于100nm分辨率、套刻精度为33nm和线宽为10nm的光刻机，其工件台定位精度要求达到10nm，掩模硅片同时步进和扫描速度分别达到150nm/s和120nm/s，掩模扫描速度接近500nm/s，并且要求工件台具有非常高的运动精度和平稳性。故需满足以下要求：
工件台及微动台(局部剖面)示意图
(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1μm，形位精度要求小于5μm；
(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。
碳化硅陶瓷方镜
光刻机等集成电路关键装备中的关键部件具有形状复杂、外形尺寸复杂以及中空轻量化结构等特点，制备此类碳化硅陶瓷零部件难度较大。目前国际主流集成电路装备制造商，如荷兰ASML，日本NIKON、CANON等公司大量采用微晶玻璃、堇青石等材料制备光刻机核心部件——方镜，而采用碳化硅陶瓷制备其他简单形状的高性能结构部件。中国建筑材料科学研究总院的专家们却采用专有制备技术，实现了大尺寸、复杂形状、高度轻量化、全封闭光刻机用碳化硅陶瓷方镜及其他结构功能光学零部件的制备。
碳化硅光罩薄膜
日前在韩国的一场半导体交流活动中，ASML韩国营销经理MyoungKuyLee透露，公司将开始供应透光率超90%的薄膜，以提升EUV光刻机的效率。ASML2016年首次开发出光罩薄膜，当时的透光率是78%。随后在2018年，薄膜透光率提升到80%，去年提升到85%。
薄膜用于保护光罩免受污染，单价2.6万美元左右（约合人民币16.78万元）。
另外，韩国企业FST、S&STech也都在紧张开发EUV光刻机所需的薄膜，FST此前预期上半年开始供应90%透光率的碳化硅薄膜。
碳化硅陶瓷精密结构部件制备工艺
中国建材总院在近净尺寸成型工艺——凝胶注模成型的基础上，开发出用于制备新型大尺寸、复杂形状、高精度碳化硅陶瓷部件的工艺技术。
碳化硅陶瓷部件制备工艺流程图
该制备流程中的关键工艺包括凝胶注模成型工艺、陶瓷素坯加工工艺和陶瓷素坯连接工艺。其中，凝胶注成型工艺是制备碳化硅陶瓷部件的基础，该工艺是一种精细的胶态成型工艺(Colloidalprocessing)，可实现大尺寸、复杂结构坯体的高强度、高均匀性、近净尺寸成型，自上世纪90年代以来在特种陶瓷材料制备领域获得了广泛的研究。陶瓷素坯加工工艺可以实现复杂形状陶瓷部件的快速、低成本、精密制造，有效提高陶瓷部件的尺寸精度及表面光洁度。陶瓷素坯连接工艺则可以实现中空陶瓷部件的制备，主要采用陶瓷粘结剂将陶瓷单体部件进行连接获得整体中空部件。
产业竞争格局
目前国外在集成电路核心装备用精密陶瓷结构件的研发和应用方面走在前列的公司有日本京瓷、美国CoorsTek、德国BERLINERGLAS等，其中，京瓷和CoorsTek公司占据了集成电路核心装备用高端精密陶瓷结构件市场份额的70%。
京瓷及CoorsTek制造的高端陶瓷零部件具有材料体系齐全、性能优异、结构复杂、加工精度高等特点，所制造的精密陶瓷结构件几乎涵盖了现有结构陶瓷材料体系，如氧化铝、碳化硅、氮化硅、氮化铝等；结构件的应用领域也几乎覆盖了全部集成电路核心装备，形成了一系列型号齐全、品种多样的精密陶瓷结构件产品，如美国CoorsTek公司能够提供光刻机专用组件、等离子刻蚀设备专用组件、PVD/CVD专用组件、离子注入设备专用组件、晶片吸附固定传输专用组件等一系列产品；京瓷能够提供光刻机、晶圆制造设备、刻蚀机、沉积设备（CVD、溅射）、LCD等装备用精密陶瓷结构件。我国在集成电路核心装备用精密陶瓷结构件的研发和应用方面起步较晚，在大尺寸、高精度、中空、闭孔、轻量化结构的结构陶瓷零部件的制备领域有诸多关键技术问题有待突破。
结束语
碳化硅陶瓷具有优良的常温力学性能(如高强度、高硬度、高弹性模量等)、优异的高温稳定性(如高导热系数、低热膨胀系数等)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，如用于光刻机中的精密运动工件台、骨架、吸盘、水冷板以及精密测量反射镜、光栅等陶瓷结构件等。
碳化硅制品：
碳化硅制品可以分为很多类，根据不同的使用环境，分为不同的种类。一般使用到机械上比较多。例如使用到机械密封件上，可以称为碳化硅密封环，可以分为静环、动环、平环等。也可以根据客户的特别要求，制作出各种形状的碳化硅制品，例如碳化硅异形件，碳化硅板，碳化硅环等。
碳化硅的制品之一的碳化硅陶瓷具有的高硬度、高耐腐蚀性以及较高的高温强度等特点，这使得碳化硅陶瓷得到了广泛的应用。
在应用在密封环上：碳化硅陶瓷的耐化学腐蚀性好、强度高、硬度高，耐磨性能好、摩擦系数小，且耐高温，因而是制造密封环的理想材料。它与石墨材料组合配对时，其摩擦系数比氧化铝陶瓷和硬质合金小，因而可用于高PV值，特别是输送强酸、强碱的工况中使用。我公司生产的SIC-1型碳化硅常压烧结制品，具有密度高、硬度高、生产批量大、可生产复杂形状制品的特点，适用于高性能的密封件中使用，特别是高PV值及耐强酸、强碱的工况。而我公司生产的SIC-3型碳化硅陶瓷制品是含石墨的碳化硅材料。由于在碳化硅基体中含有大量的弥散细小的石墨颗粒，与其它材料配对使用时，其摩擦系数非常小，具有良好的自润滑性能，特别适用于制作气密封或有干摩擦工况的密封件中使用，从而使密封件的使用寿命及工作的可靠性提高。
金刚砂又名碳化硅（SiC）是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑（生产绿色碳化硅时需要加食盐）等原料通过电阻炉高温冶炼而成。碳化硅在大自然也存在罕见的矿物，莫桑石。碳化硅又称碳硅石。在当代C、N、B等非氧化物高技术耐火原料中，碳化硅为应用最广泛、最经济的一种，可以称为金钢砂或耐火砂。目前中国工业生产的碳化硅分为黑色碳化硅和绿色碳化硅两种，均为六方晶体，比重为3.20～3.25，显微硬度为2840～3320kg/mm2。
碳化硅又名碳硅石、金刚砂，是第三代半导体材料代表之一，是一种无机物，是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑（生产绿色碳化硅时需要加食盐）等原料通过电阻炉高温冶炼而成。
利用碳化硅具有耐腐蚀、耐高温、强度大、导热性能良好、抗冲击等特性，碳化硅一方面可用于各种冶炼炉衬、高温炉窑构件、碳化硅板、衬板、支撑件、匣钵、碳化硅坩埚等。
另一方面可用于有色金属冶炼工业的高温间接加热材料，如竖罐蒸馏炉、精馏炉塔盘、铝电解槽、铜熔化炉内衬、锌粉炉用弧型板、热电偶保护管等；用于制作耐磨、耐蚀、耐高温等*碳化硅陶瓷材料；还可以制作火箭喷管、燃气轮机叶片等。
碳化硅的种类
碳化硅有黑碳化硅和绿碳化硅两个常用的基本品种，都属α-SiC。
1、黑碳化硅含SiC约95%，其韧性高于绿碳化硅，大多用于加工抗张强度低的材料，如玻璃、陶瓷、石材、耐火材料、铸铁和有色金属等。
2、绿碳化硅含SiC约97%以上，自锐性好，大多用于加工硬质合金、钛合金和光学玻璃，也用于珩磨汽缸套和精磨高速钢刀具。此外还有立方碳化硅，它是以特殊工艺制取的黄绿色晶体，用以制作的磨具适于轴承的超精加工。
碳化硅板的用途是什么
碳化硅主要有四个应用领域：功能陶瓷，高级耐火材料，磨料和冶金原料。碳化硅原料可以大量供应，不能作为高科技产品，技术含量极高的纳米碳化硅粉末的应用不可能在短时间内形成规模经济。
(1)作为磨料，可用作研磨工具，如砂轮，油石，磨头，砂瓦等。
(2)作为冶金脱氧剂和耐高温材料。
(3)高纯度单晶，可用于制造半导体和制造碳化硅纤维。
主要用途：用于3-12英寸单晶硅，多晶硅，砷化钾，石英晶体等线切割。太阳能光伏产业，半导体产业，压电晶体工业工程加工材料。
用于半导体，避雷针，电路元件，高温应用，紫外检测器，结构材料，天文学，盘式制动器，离合器，柴油微粒过滤器，灯丝高温计，陶瓷膜，切割工具，加热元件，核燃料，珠宝，钢，保护装置，催化剂载体等领域。
“三抗”材料
碳化硅具有耐腐蚀，耐高温，高强度，良好的导热性和抗冲击性的特性。一方面，碳化硅可用于各种冶炼炉衬，高温炉组件，碳化硅板，衬板，支架，匣钵，碳化硅锗等。
另一方面，它可用于有色金属冶炼行业的高温间接加热材料，如立式槽蒸馏炉，精馏炉盘，铝电解槽，铜熔炉炉衬，锌弧粉板等。粉末炉，热电偶保护管等。用于制造先进的碳化硅陶瓷材料，如耐磨性，耐腐蚀性和耐高温性它还可用于制造火箭喷嘴和燃气轮机叶片。此外，碳化硅也是高速公路，航空跑道太阳能热水器等的理想材料。
碳化硅板寿命
碳化硅板的使用寿命很大程度上取决于碳化硅生产工艺的合理性，选择生产是合理的。在制造卫生陶瓷，高压电磁产品等时，窑车上的脚手架需要承受很大的负荷。因此，碳化硅产品的强度具有重要意义。优选使用具有高抗氧化性的致密碳化硅材料，这取决于烘焙的热应力。
据有关资料显示，美国许多工业陶瓷国家都采用碳化硅材料作为支架的主支柱和平板。生产中使用的碳化硅板厚度为25-30mm，非常适合烘烤。当然，碳化硅板的价格将比粘土砖更昂贵，但碳化硅的使用次数远远高于粘土砖的次数。从使用的经济效果来看是好的。
在市场上，虽然碳化硅的价格略高于其他耐高温材料，但根据详细了解，碳化硅材料具有非常独特的性能，高温强度，碳化硅的高热稳定性和碳化硅高导电性，碳化硅的一些高品质特性，对碳化硅板寿命的延长具有决定性作用。
因此，碳化硅板具有长的使用寿命。碳化硅的再循环是非常可行的!
