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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。

圖?EUV光刻系統(tǒng),來源ASML

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。

圖??典型的光刻機(jī)工件臺(tái)及框架設(shè)計(jì)
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)清潔無污染:要求結(jié)構(gòu)件具有極低的摩擦系數(shù),運(yùn)動(dòng)過程中動(dòng)能損失小,且無磨削顆粒的污染。

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、手臂、水冷盤、吸盤等。

圖 ?光刻機(jī)用碳化硅水冷盤和吸盤,圖源:伏爾肯招股書

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。

資料來源:

《光刻機(jī)用精密碳化硅陶瓷部件制備技術(shù)》,劉海林,霍艷麗,胡傳奇等;

《聚焦集成電路核心裝備用精密碳化硅結(jié)構(gòu)件》,胡傳奇.

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2024年半導(dǎo)體陶瓷產(chǎn)業(yè)論壇

The ?Semiconductor Ceramics Industry?Forum

2024年4月12日
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半導(dǎo)體設(shè)備中陶瓷零部件的應(yīng)用現(xiàn)狀與前景

清華大學(xué) 新型陶瓷與精細(xì)工藝國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 潘偉 教授

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氮化鋁基板和器件與半導(dǎo)體應(yīng)用

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先進(jìn)陶瓷材料制備與智能化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

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多孔陶瓷的研究進(jìn)展及在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用

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LTCC技術(shù)在半導(dǎo)體晶圓探針卡中的應(yīng)用

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8

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擬邀請(qǐng)?zhí)沾杉訜岜P企業(yè)/高校研究所

9

耐等離子腐蝕的氧化釔陶瓷的開發(fā)與應(yīng)用

擬邀請(qǐng)氧化釔陶瓷企業(yè)/高校研究所

10

高強(qiáng)度高耐磨的氮化硅陶瓷材料的開發(fā)

擬邀請(qǐng)氮化硅陶瓷企業(yè)/高校研究所

11

碳化硅陶瓷結(jié)構(gòu)件在集成電路制造關(guān)鍵裝備中的應(yīng)用

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真空釬焊設(shè)備在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用

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擬邀請(qǐng)?zhí)蓟杼沾善髽I(yè)/高校研究所

16

半導(dǎo)體設(shè)備用陶瓷的成型工藝技術(shù)

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擬邀請(qǐng)氮化硅粉體企業(yè)/高校研究所

18

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19

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擬邀請(qǐng)?zhí)沾苫迤髽I(yè)/高校研究所

20

特種陶瓷高溫?zé)Y(jié)工藝技術(shù)

擬邀請(qǐng)熱工裝備企業(yè)/高校研究所

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半導(dǎo)體設(shè)備用陶瓷零部件表面處理技術(shù)

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作者 ab

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