-
邹小姐：13326633089 -
-
cac_sales@sina.com 
在(zai)IC产(chan)业中，集(ji)成电路(lu)制(zhi)造装备具有极其(qi)(qi)重要(yao)(yao)的(de)战略地位，以光刻机(ji)为代表的(de)集(ji)成电路(lu)关键(jian)装备是(shi)现代技术高度集(ji)成的(de)产(chan)物，其(qi)(qi)设(she)计和(he)制(zhi)造过程均能体现出包括材料(liao)科学与工程、机(ji)械加(jia)工等(deng)在(zai)内的(de)诸多(duo)相关科学领域的(de)最(zui)高水平。集(ji)成电路(lu)制(zhi)造关键(jian)装备要(yao)(yao)求零部件材料(liao)具有轻质高强、高导热系数和(he)低热膨胀系数等(deng)特(te)点，且致密(mi)均匀无(wu)缺陷，还要(yao)(yao)求零部件具有极高的(de)尺寸精(jing)(jing)度和(he)尺寸稳(wen)定性，以保证(zheng)设(she)备实现超精(jing)(jing)密(mi)运动和(he)控制(zhi)，因此对材料(liao)性能以及制(zhi)造水平要(yao)(yao)求非常苛刻。
高尖(jian)端(duan)设备——光刻机(ji)
碳化硅陶瓷具(ju)有(you)高的弹性(xing)模(mo)量和(he)(he)比刚度，不易变形，并且具(ju)有(you)较(jiao)高的导热系(xi)数(shu)和(he)(he)低(di)的热膨胀系(xi)数(shu)，热稳定(ding)性(xing)高，是(shi)一种优(you)良的结(jie)构材料，目(mu)前已经广泛应(ying)用(yong)于航空、航天、石(shi)油化(hua)(hua)工、机(ji)械制造、核工业、微电子工业等领域(yu)。但是(shi)，由于碳化(hua)(hua)硅(gui)是(shi)Si-C键很强的共价键化(hua)(hua)合物，具(ju)有(you)极高的硬度和显著的脆(cui)性，精密(mi)加工难度大(da)；此(ci)外，碳(tan)化硅熔点高，难以实现致密(mi)、近净尺寸烧结。因此(ci)，大尺寸、复杂异形(xing)中(zhong)空结构的(de)(de)精密碳化(hua)硅(gui)结构件(jian)的(de)(de)制(zhi)备(bei)难度较高(gao)，限制(zhi)了碳化(hua)硅(gui)陶瓷在诸如集成电(dian)路这(zhei)类的(de)(de)高(gao)端装备(bei)制(zhi)造领域中的(de)(de)广泛应用(yong)。
目前只有日本、美(mei)(mei)国(guo)等少(shao)数几个(ge)发(fa)达国(guo)家的少(shao)数企业(ye)（如日本京瓷、美(mei)(mei)国(guo)CoorsTek等）成(cheng)功地将碳化(hua)硅陶瓷材料应用于(yu)集(ji)成(cheng)电路制造(zao)关键装备(bei)中，如光(guang)刻机用碳化(hua)硅工件台、导轨(gui)、反射镜(jing)、陶瓷吸(xi)盘、手臂(bei)等。
碳化硅真空吸盘
集(ji)成电(dian)路制(zhi)造(zao)装备(bei)用精密陶瓷(ci)结构件的特点
集成电路制(zhi)造关键(jian)技(ji)术(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)及装备(bei)(bei)主要(yao)有(you)包括光刻技(ji)术(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)及光刻装备(bei)(bei)、薄膜生长技(ji)术(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)及装备(bei)(bei)、化(hua)学机械(xie)抛光技(ji)术(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)及装备(bei)(bei)、高(gao)密度(du)后封(feng)装技(ji)术(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)及装备(bei)(bei)等，均涉及高(gao)效率、高(gao)精度(du)、高(gao)稳定性(xing)的(de)(de)运动(dong)控制(zhi)技(ji)术(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)和(he)驱动(dong)技(ji)术(shu)(shu)(shu)(shu)(shu)，对结构件的(de)(de)精度(du)和(he)结构材(cai)料的(de)(de)性(xing)能提出了极高(gao)的(de)(de)要(yao)求。
以光刻机(ji)中工(gong)件台(tai)为例，该工(gong)件台(tai)主要(yao)(yao)负责(ze)完成曝光运动，要(yao)(yao)求实(shi)现高速、大行程、六自由(you)度的纳(na)米(mi)级超精(jing)密(mi)运动(dong)，如(ru)对(dui)于100 nm分辨率、套(tao)刻精(jing)度(du)为(wei)33nm和线宽(kuan)为(wei)10nm的光刻机，其工(gong)(gong)件台(tai)定(ding)位精(jing)度(du)要求达到(dao)10 nm，掩(yan)模硅片同时(shi)步进和扫(sao)(sao)描速度(du)分别达到(dao)150 nm/s和120 nm/s，掩(yan)模扫(sao)(sao)描速度(du)接近500 nm/s，并且(qie)要求工(gong)(gong)件台(tai)具有非常(chang)高的运动精(jing)度(du)和平稳性。
总(zong)结下(xia)来，就(jiu)是(shi)需要满足以下(xia)条件(jian)：高(gao)度轻量(liang)化、高(gao)形位精度、高(gao)尺(chi)寸稳定性、清洁无污染，通常该类结构件(jian)具有“大、厚、空、薄、轻、精”的特点。
光刻机(ji)工(gong)作(zuo)台
碳化硅陶瓷(ci)精密结构部件制备(bei)工艺
目前在制备光(guang)刻机等(deng)集成电路关键装(zhuang)备用碳化(hua)硅陶(tao)瓷精密(mi)结构件(jian)时，还(hai)存在着诸多的(de)(de)技(ji)术难点和挑战(zhan)，比如(ru)如(ru)何(he)实(shi)现中空(kong)、闭孔(kong)结构，以达(da)到高度轻量化(hua)、高模态的(de)(de)目标；如(ru)何(he)获得显微结构均匀(yun)、性能(neng)稳定的(de)(de)材料；如(ru)何(he)实(shi)现大尺寸、复杂形(xing)状(zhuang)结构的(de)(de)陶(tao)瓷部件(jian)的(de)(de)快速制备等(deng)。
在陶瓷的(de)近净成型(xing)技术(shu)的(de)应(ying)用上(shang)，国内外都进(jin)行了(le)大量的(de)研究。
大尺寸复杂形状碳化硅陶瓷素坯(pi)的凝(ning)胶注模成型工艺
当前，中国建材总院在相关(guan)碳化硅陶瓷精密部件的研究上走在国内前列(lie)，涉及到均质、高(gao)强碳(tan)化硅陶瓷素坯(pi)的(de)制备，碳(tan)化硅陶瓷素坯(pi)的(de)加工(gong)(gong)，碳(tan)化硅陶瓷连接工(gong)(gong)艺，以及CVD碳(tan)化硅光学膜层制备工(gong)(gong)艺等，以(yi)下将详细介绍(shao)。
1.碳化硅陶(tao)瓷(ci)凝胶注模成型(xing)工(gong)艺
凝(ning)胶注成型(xing)(xing)工艺是制备(bei)碳化硅陶瓷部件的基础，该(gai)工艺是一(yi)种精细的胶态成型(xing)(xing)工艺 (Colloidal processing)，可实现大尺(chi)(chi)寸、复杂结构坯体的高强度、高均匀(yun)性(xing)、近净(jing)尺(chi)(chi)寸成(cheng)(cheng)型，陶瓷料浆(jiang)制(zhi)备是凝胶注(zhu)模成(cheng)(cheng)型工(gong)艺中的关(guan)键(jian)环(huan)节(jie)之(zhi)一。
就碳(tan)化硅(gui)在光刻机构(gou)件中的应用(yong)而言(yan)，分(fen)散良好、高(gao)稳定性(xing)水基碳(tan)/碳(tan)化硅(gui)料(liao)浆的制备(bei)是获得(de)优质、均(jun)匀结构(gou)碳(tan)/碳(tan)化硅(gui)坯体(ti)(ti)的前(qian)提(ti)。此外(wai)，料(liao)浆具有高(gao)的固(gu)相体(ti)(ti)积分(fen)数则可(ke)以有效减小(xiao)陶(tao)瓷(ci)坯体(ti)(ti)干燥时(shi)的收缩，有利于(yu)实现陶(tao)瓷(ci)部件的近净尺
寸成(cheng)型。相应地，陶瓷料(liao)浆的制备需要解决两(liang)大难题：一是碳和碳化(hua)硅两种陶瓷(ci)粉(fen)料(liao)(liao)在相同条件下的(de)(de)均(jun)匀(yun)分散，二是尽可能(neng)提高(gao)料(liao)(liao)浆的(de)(de)固相含量(liang)。
碳化硅陶瓷(ci)部件制备工艺流(liu)程(cheng)图
制浆完(wan)成后，凝胶(jiao)注模成型工(gong)艺通(tong)常采(cai)用丙烯酰胺(AM)和(he)N,N’-亚甲(jia)基(ji)双(shuang)丙烯酰(xian)胺(MBAM)等作为有(you)(you)机(ji)单体(ti)(ti)，以过(guo)硫(liu)酸盐作为引发(fa)剂(ji)，通过(guo)单体(ti)(ti)自由基(ji)聚合(he)实现对(dui)陶(tao)瓷悬浮体(ti)(ti)的(de)(de)(de)原位固(gu)化(hua)成型(xing)。但(dan)对(dui)于含碳陶(tao)瓷料(liao)(liao)浆，常规方式的(de)(de)(de)聚合(he)诱导期很短(duan)，实现凝胶注(zhu)模(mo)成型(xing)则相对(dui)困难(nan)，需加入在碳基(ji)体(ti)(ti)系料(liao)(liao)浆里能够延缓(huan)单体(ti)(ti)聚合(he)的(de)(de)(de)添加剂(ji)，使陶(tao)瓷料(liao)(liao)浆有(you)(you)充(chong)足的(de)(de)(de)时间充(chong)满(man)复(fu)杂(za)模(mo)具，实现复(fu)杂(za)形状制(zhi)品的(de)(de)(de)制(zhi)备。
2.高精度碳化(hua)硅陶瓷制(zhi)品无模成型工艺(yi)
虽然采用凝胶注模(mo)成型工(gong)艺可以实现(xian)复(fu)杂(za)形状陶(tao)(tao)瓷制(zhi)品(pin)的(de)近净尺寸制(zhi)备，但(dan)该工(gong)艺对模(mo)具要(yao)求(qiu)高，在制(zhi)备复(fu)杂(za)大尺寸部(bu)件时需设计和制(zhi)造模(mo)具，增加了时间成本(ben)和模(mo)具成本(ben)，一定程度(du)上(shang)制(zhi)约(yue)了该工(gong)艺在陶(tao)(tao)瓷结构(gou)件批量化生产(chan)中的(de)应用。另一方面，对一些尺寸精度(du)要(yao)求(qiu)高的(de)陶(tao)(tao)瓷部(bu)件，凝胶注模(mo)成型工(gong)艺则无(wu)法满足其尺寸精度(du)要(yao)求(qiu)。
与(yu)传统“自下而(er)上(shang)”的无模(mo)成型(xing)工(gong)艺(yi)不(bu)同，陶(tao)瓷素坯(pi)加(jia)工(gong)工(gong)艺(yi)(Green ceramic machining,GCM)是一种“自上而下(xia)”的(de)工(gong)艺，其(qi)原理(li)类似金(jin)属材料或木材的(de)加(jia)工(gong)过程如车、铣(xian)、刨(bao)、磨等，利(li)用数控加(jia)工(gong)技术(shu)对(dui)陶(tao)瓷(ci)块状素坯进(jin)行三维(wei)加(jia)工(gong)，直(zhi)接(jie)得到(dao)所需的(de)结构(gou)，可(ke)以实(shi)现陶(tao)瓷(ci)制(zhi)品的(de)快速(su)制(zhi)造，特别适用于结构(gou)陶(tao)瓷(ci)多品种、小批(pi)量生产。
数控(kong)加工
采(cai)用(yong)凝胶注模成(cheng)型工(gong)艺(yi)制备的(de)陶(tao)瓷(ci)素坯中，陶(tao)瓷(ci)颗粒(li)(li)靠三(san)维凝胶网络结合(he)，颗粒(li)(li)之间结合(he)力小，在加工(gong)过(guo)程中陶(tao)瓷(ci)颗粒(li)(li)或颗粒(li)(li)团聚(ju)体在刀具的(de)作用(yong)下很容易(yi)剥落去(qu)除(chu)。材料(liao)去(qu)除(chu)以脆性(xing)剥落为(wei)主(zhu)，不同于金(jin)(jin)属材(cai)料加(jia)工的(de)塑性(xing)去(qu)除(chu)方式，而颗粒(li)的(de)脆性(xing)断裂以及晶界微破碎去(qu)除(chu)形式也基(ji)本不存在。采用(yong)金(jin)(jin)刚石刀具(ju)，通(tong)过数控机床对陶(tao)(tao)瓷(ci)素(su)坯进(jin)行高(gao)效、高(gao)精(jing)度加(jia)工，可以实(shi)现复(fu)杂形状的(de)碳化硅陶(tao)(tao)瓷(ci)制(zhi)品的(de)制(zhi)备。采用(yong)该工艺制(zhi)备的(de)碳化硅陶(tao)(tao)瓷(ci)制(zhi)品尺寸精(jing)度高(gao)、表面光洁度高(gao)。
3.碳化硅陶瓷(ci)反应连接技(ji)术
全封闭(bi)、中空部件的制备(bei)(bei)一般采用(yong)(yong)连(lian)接工艺获得，目前常用(yong)(yong)的陶瓷连(lian)接方法(fa)主要有钎(qian)焊(han)(han)、扩散焊(han)(han)等(deng)，但(dan)这些(xie)方法(fa)均存在工艺复杂(za)、焊(han)(han)接料性(xing)能同碳化(hua)硅(gui)基(ji)体差(cha)别大(da)等(deng)缺点，难以满足(zu)光刻机等(deng)集成电路制造(zao)装备(bei)(bei)对复杂(za)结构部件的使用(yong)(yong)要求。
根(gen)据(ju)反(fan)应(ying)烧(shao)结(jie)碳化硅(gui)的(de)(de)工艺特点，将待(dai)粘(zhan)(zhan)接(jie)零部(bu)件(jian)进行(xing)预处理，并通过(guo)粘(zhan)(zhan)接(jie)料(liao)对制(zhi)(zhi)品进行(xing)粘(zhan)(zhan)接(jie)，随后再进行(xing)反(fan)应(ying)烧(shao)结(jie)，使(shi)制(zhi)(zhi)品的(de)(de)连(lian)接(jie)与反(fan)应(ying)烧(shao)结(jie)同步(bu)完成(cheng)。通过(guo)调节粘(zhan)(zhan)接(jie)料(liao)的(de)(de)组分、控制(zhi)(zhi)连(lian)接(jie)工艺，可实(shi)现复杂结(jie)构部(bu)件(jian)的(de)(de)致密、高(gao)强度、无缝隙粘(zhan)(zhan)接(jie)。
反应烧结(jie)(jie)体粘接层的(de)显(xian)微结(jie)(jie)构
4.大面积碳化硅陶瓷(ci)膜层化学(xue)气相沉积（CVD）技术(shu)
光刻机等集成电路关键制造装备(bei)中某(mou)(mou)些高(gao)性能光学元(yuan)件对材(cai)料(liao)制备(bei)有(you)着苛刻的要求，不仅(jin)要求材(cai)料(liao)具有(you)高(gao)的稳定(ding)性，还需满足某(mou)(mou)些特定(ding)的光学性能要求。反应烧结碳化硅经抛光后其面型精度高(gao)，但是该材(cai)料(liao)是由碳化硅和游离硅组(zu)成的两(liang)相材(cai)料，在(zai)研磨抛光(guang)等(deng)过程各相的去除速率不一致，无法达(da)到更(geng)高的面型精度(du)，因此无法满足特(te)定光(guang)学部件性能要求。
采用反应(ying)烧(shao)结碳化硅基体(ti)结合化学气(qi)(qi)相沉(chen)积碳化硅(CVD SiC)膜层的方法(fa)制(zhi)备高性能反射镜(jing)，通过优化先驱体(ti)种类、沉(chen)积温(wen)度(du)、沉(chen)积压力、反应(ying)气(qi)(qi)体(ti)配比、气(qi)(qi)体(ti)流场、温(wen)度(du)场等关键工艺(yi)参数(shu)，可(ke)实现(xian)大面积、均匀CVD SiC膜层的制(zhi)备，使反射镜(jing)镜(jing)面精(jing)度(du)可(ke)接近(jin)国外同类产品性能指(zhi)标。
光刻(ke)机用碳化硅光学(xue)反射(she)镜
总结
我国集(ji)成电路(lu)关(guan)键装(zhuang)备用(yong)(yong)精密陶瓷结(jie)构件的自主研究和(he)国产化(hua)应(ying)用(yong)(yong)推广(guang)才刚(gang)刚(gang)起步，随着我国半导体(ti)工(gong)业(ye)的蓬勃发展，市场(chang)对该类高端(duan)陶瓷结(jie)构件的需(xu)求会越(yue)来越(yue)大(da)(da)，碳(tan)化(hua)硅以其(qi)优异的物理化(hua)学性(xing)能(neng)，在(zai)集(ji)成电路(lu)关(guan)键装(zhuang)备用(yong)(yong)结(jie)构件领域(yu)具(ju)有广(guang)阔的应(ying)用(yong)(yong)前(qian)景，目前(qian)仍然存在(zai)碳(tan)化(hua)硅结(jie)构件材(cai)料品种单一、大(da)(da)尺(chi)寸复杂结(jie)构制品成品率低、市场(chang)化(hua)应(ying)用(yong)(yong)推广(guang)慢等问(wen)题，还需(xu)要进一步研究和(he)推广(guang)。
参考来源：
1. 光刻机(ji)用(yong)精密碳(tan)化硅陶(tao)瓷部(bu)件制备技术，刘海林、霍艳丽、胡传奇、黄小婷、王春朋、梁海龙、唐(tang)婕(jie)、陈(chen)玉峰（现代技术陶(tao)瓷）；
2. 先进陶瓷材料研究现状及发展趋势(shi)，张(zhang)伟儒、李伶(ling)、王坤（新材料产业）；
3. 碳化硅(gui)陶(tao)瓷(ci)研究(jiu)，刘海林（中国建材）。
粉体圈 小吉
本文为粉体圈原创作(zuo)品，未经许可，不得转载，也不得歪曲(qu)、篡改或复制(zhi)本文内容，否则本公(gong)司将依法追(zhui)究法律责任。