碳化硅陶瓷精密零件，为新一代光刻机注入灵魂。

碳化硅陶瓷精密零件：为新一代光刻机注入“灵魂”

以光刻机为代表的集成电路关键设备是现代技术高度融合的产物。其设计和制造工艺体现了材料科学与工程、机械加工等诸多相关科学领域的最高水平。

对于材料科学与工程学科而言，集成电路制造的关键设备要求组件材料具有重量轻、强度高、导热性好、热膨胀系数低等特点，且致密均匀无缺陷；对于机械加工学科而言，集成电路制造的关键设备要求组件具有较高的尺寸精度和尺寸稳定性，以保证设备的超精密运动和控制。

光刻机精密零件的优选材料——碳化硅陶瓷

碳化硅陶瓷具有高弹性模量和比刚度，不易变形，且导热系数高、热膨胀系数低、热稳定性好。因此，碳化硅陶瓷是一种优良的结构材料，已广泛应用于航空、航天、石油化工、机械制造、核工业、微电子工业等领域。然而，碳化硅是一种具有强Si-C键的共价化合物，硬度极高，脆性较大，因此难以进行精密加工；此外，碳化硅熔点高，难以实现致密、近净尺寸的烧结。

因此，制备尺寸大、形状复杂、空心结构的精密碳化硅结构件十分困难，这限制了碳化硅陶瓷在集成电路等高端设备制造领域的广泛应用。目前，仅有少数发达国家（如日本和美国）的企业（如日本的京瓷、美国的科斯泰克等）成功将碳化硅陶瓷材料应用于集成电路制造的关键设备，例如光刻用碳化硅工作台、导轨、反射器、陶瓷卡盘、机械臂等。

碳化硅陶瓷结构在光刻机中的应用

集成电路制造的关键技术和设备主要包括光刻技术和光刻设备、薄膜生长技术和设备、化学机械抛光技术和设备、高密度后封装技术和设备等，所有这些都涉及高效、高精度、高稳定性的运动控制技术和驱动技术，对结构件的精度和结构材料的性能提出了很高的要求。

● 碳化硅工作台

以光刻机的工作台为例。工作台主要负责完成曝光移动，需要高速、大行程和六自由度的纳米级超精密运动。例如，对于分辨率为100nm、嵌套精度为33nm、线宽为10nm的光刻机，工作台定位精度需要达到10nm，掩模硅片的同步步进速度和扫描速度分别为150nm/s和120nm/s，掩模扫描速度接近500nm/s，因此工作台需要具备极高的运动精度和稳定性。

工件工作台和微动工作台示意图（局部图）

一般来说，光刻机的工件工作台结构应满足以下要求：

① 高度轻量化：为了降低运动惯性，降低电机负载，提高运动效率、定位精度和稳定性，轻量化结构设计广泛应用于结构件，轻量化率达到 60% - 80%，最高可达 90%；

② 高形状和位置精度：为了实现高精度的运动和定位，结构件需要具有极高的形状和位置精度，其平面度、平行度和垂直度均需小于1μm，形状和位置精度应小于5μm；

③ 高尺寸稳定性：为了实现高精度的运动和定位，结构件需要具有高尺寸稳定性，不易产生应变，以及高导热性、低热膨胀系数，不易产生大的形变；

④ 清洁无污染：结构构件要求具有极低的摩擦系数、运动过程中较小的动能损失，并且不会产生研磨颗粒污染。

● 碳化硅陶瓷方形镜

集成电路关键设备（例如光刻机）的关键部件具有形状复杂、整体尺寸复杂、中空轻量化等特点，因此难以制备此类碳化硅陶瓷部件。目前，国际主流集成电路设备制造商，例如荷兰的ASML、日本的尼康和佳能，通常采用大量的微晶玻璃、堇青石等材料来制备光刻机的核心部件——方形反射镜，而其他形状简单的高性能结构部件则采用碳化硅陶瓷制备。然而，中国建筑材料科学研究院的专家们采用自主研发的制备技术，成功制备了用于光刻的大尺寸、复杂形状、超轻量化、全封闭的碳化硅陶瓷方形反射镜及其他结构和功能光学部件。

● 碳化硅掩模膜

几天前在韩国举行的半导体交流会上，ASML韩国市场经理myoungkuylee透露，该公司将开始供应透光率超过90%的薄膜，以提高EUV光刻机的效率。ASML于2016年首次研发出这种掩模薄膜，当时的透光率为78%。随后，在2018年，薄膜的透光率提升至80%，并在2020年达到85%。

这种薄膜用于保护口罩免受污染，单价约为26000美元（约合人民币167800元）。此外，韩国企业FST和s&stech也在开发EUV光刻所需的薄膜。FST原计划在今年上半年供应透光率达90%的碳化硅薄膜。