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光刻机用精密碳化硅陶瓷部件制备技术

发布时间:2022-10-05 03:40:36 来源:BOB体育投注官网下载 作者:BOB体育投注登录

  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。以光刻机为代表的集成电路关键装备是现代技术高度集成的产物,其设计和制造过程均能体现出包括材料科学与工程、机械加工等在内的诸多相关科学领域的最高水平。例如,对于材料科学与工程学科而言,集成电路制造关键装备要求零部件材料具有轻质高强、高导热系数和低热膨胀系数等特点,且致密均匀无缺陷;对于机械加工学科而言,集成电路制造关键装备则要求零部件具有极高的尺寸精度和尺寸稳定性,以保证设备实现超精密运动和控制。

  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。

  在国内,中国建筑材料科学研究总院率先开展了极大规模集成电路制造装备用精密碳化硅结构件的制备工艺研究,攻克了以光刻机为代表的集成电路制造关键装备用大尺寸、中空薄壁、复杂结构、精密碳化硅结构件制备的技术难关,形成一系列自主知识产权的专利技术,制备出了诸如碳化硅真空吸盘、导轨、反射镜、工件台等一系列光刻机用精密碳化硅结构件,满足了光刻机等集成电 路制造关键装备用精密结构件的使用要求,推动了我国集成电路关键装备的独立自主健康发展。

  集成电路制造关键技术及装备主要有包括光刻技术及光刻装备、薄膜生长技术及装备、化学机械抛光技术及装备、高密度后封装技术及装备等,均涉及高效率、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极高的要求。以光刻机中工件台为例,该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 100 nm 分辨率、套刻精度为 33 nm 和线 nm 的光刻机,其工件 台定位精度要求达到 10 nm,掩模-硅片同时步进和扫描速度分别达到 150 nm/s 和 120 nm/s,掩模扫描速度接近 500 nm/s,并且要求工件台具有非常高的运动精度和平稳性。下图所示为典型的光刻机工件台及框架设计。该部件设计为内部轻量化、整体封闭中空结构, 内部加强筋板厚度为 3 mm,外部壁厚为 5 mm,外形尺寸 440 mm * 440 mm * 60 mm。该类结构件具有“大、厚、空、薄、轻、精”的特点。一般说来,光刻机用工件台结构件需满足以下要求:

  (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 1 μm,形位精度要求小于 5 μm;

  (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。

  碳化硅材料具有极高的弹性模量、导热系数和较低的热膨胀系数,不易产生弯曲应力变形和热应变,并且具有极佳的可抛光性,可以通过机械加工至优良的镜面;因此采用碳化硅作为光刻机等集成电路关键装备用精密结构件材料具有极大的优势。但是传统的陶瓷制备工艺如注浆、干压等很难实现诸如光刻机工作台这类复杂部件的制备。为此,中国建材总院研发出一系列成型、烧结技术, 解决了采用碳化硅材料制作此类部件的国产化问题。

  碳化硅陶瓷具有高强度、高硬度、高弹性模量、高比刚度、高导热系数、低热膨胀系数等优良性能,是一种理想的高性能结构材料,但将其应用于制备具有“大、厚、空、薄、轻、精”特点的光刻机等集成电路关键装备用精密结构件时,却存在诸多的技术难点和挑战,比如如何实现中空、 闭孔结构,以达到高度轻量化、高模态的目标;如何获得显微结构均匀、性能稳定的材料;如何实现大尺寸、复杂形状结构的陶瓷部件的快速制备等。

  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,这一技术的具体工艺流程如下图所示。首先分析陶瓷部件的结构特点,设计制造出简单或复杂的模具进行凝胶注模成型,制备陶瓷部件素坯;然后对陶瓷部件素坯进行精密加工,提高陶瓷部件尺寸精度及表面光洁度;最后进行高温烧结得到制品。对于中空结构碳化硅陶瓷部件则采用粘结工艺将陶瓷素坯单体部件粘结形成整体部件,然后放置到真空烧结炉中烧结得到所设计的碳化硅陶瓷部件。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 (Colloidal processing),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。

  目前全球集成电路制造装备支出达到 500 亿美元,其中陶瓷结构件占支出的 20% 以上。目前 IC 制造装备用高端碳化硅陶瓷零部件 70% 被 Kyocera、CoorsTek 两家公司垄断,剩余部分也被欧美日企业所占据。Kyocera 和 CoorsTek 产品的特点是种类齐全、市场覆盖面广,以半导体用陶瓷组件为例,CoorsTek 提供的精密陶瓷结构件涵盖了光刻机专用组件、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;Kyocera 则提供光刻机、晶圆制造设备、刻蚀机、沉积设备 (CVD、PVD)、液晶面板 (LCD) 制造装备等专用的陶瓷零部件。

  我国集成电路关键装备用精密陶瓷结构件的自主研究和国产化应用推广才刚刚起步,随着我国半导体工业的蓬勃发展,市场对该类高端陶瓷结构件的需求会越来越大,碳化硅以其优异的物理化学性能,在集成电路关键装备用结构件领域具有广阔的应用前景,中国建材总院在该领域已经进行了初步的研制与探索并取得了良好的成果。上图所示为中国建材总院制备的光刻机用典型精密碳化硅结构件产品。

  为了解更多关于半导体装备用精密碳化硅陶瓷部件方面的最新技术与应用进展,“第六届国际碳材料大会暨产业展览会——碳化硅陶瓷论坛”特邀中国建筑材料科学研究总院有限公司 刘海林所长与大家分享《半导体制造装备用高精密碳化硅陶瓷部件》。

  刘所长主要从事碳化硅陶瓷及其复合材料的研发,在大尺寸、复杂形状碳化硅净尺寸成型技术、铝基碳化硅材料、SiC陶瓷基复合材料、高纯CVDSiC膜及体材料、特种陶瓷3D打印成型技术等领域开展了深入系统的研究,研发的新材料、新产品成功应用于空间遥感、航空发动机、集成电路制造装备等重点工程,填补国内空白,整体达到国际先进水平。