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鄒小姐：13326633089 -
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在IC產業中，集成電路制造裝備具有極其重要的戰略地位，以光刻機為代表的集成電路關鍵裝備是現代技術高度集成的產物，其設計和制造過程均能體現出包括材料科學與工程、機械加工等在內的諸多相關科學領域的最高水平。集成電路制造關鍵裝備要求零部件材料具有輕質高強、高導熱系數和低熱膨脹系數等特點，且致密均勻無缺陷，還要求零部件具有極高的尺寸精度和尺寸穩定性，以保證設備實現超精密運動和控制，因此對材料性能以及制造水平要求非常苛刻。
高尖端設備——光刻機
碳化硅陶瓷具有高的彈性模量和比剛度，不易變形，并且具有較高的導熱系數和低的熱膨脹系數，熱穩定性高，是一種優良的結構材料，目前已經廣泛應用于航空、航天、石油化工、機械制造、核工業、微電子工業等領域。但是，由于碳化硅是Si-C鍵很強的共價鍵化合物，具有極高的硬度和顯著的脆性，精密加工難度大；此外，碳化硅熔點高，難以實現致密、近凈尺寸燒結。因此，大尺寸、復雜異形中空結構的精密碳化硅結構件的制備難度較高，限制了碳化硅陶瓷在諸如集成電路這類的高端裝備制造領域中的廣泛應用。
目前只有日本、美國等少數幾個發達國家的少數企業（如日本京瓷、美國CoorsTek等）成功地將碳化硅陶瓷材料應用于集成電路制造關鍵裝備中，如光刻機用碳化硅工件臺、導軌、反射鏡、陶瓷吸盤、手臂等。
碳化硅真空吸盤
集成電路制造裝備用精密陶瓷結構件的特點
集成電路制造關鍵技術及裝備主要有包括光刻技術及光刻裝備、薄膜生長技術及裝備、化學機械拋光技術及裝備、高密度后封裝技術及裝備等，均涉及高效率、高精度、高穩定性的運動控制技術和驅動技術，對結構件的精度和結構材料的性能提出了極高的要求。
以光刻機中工件臺為例，該工件臺主要負責完成曝光運動，要求實現高速、大行程、六自由度的納米級超精密運動，如對于100 nm分辨率、套刻精度為33nm和線寬為10nm的光刻機，其工件臺定位精度要求達到10 nm，掩模硅片同時步進和掃描速度分別達到150 nm/s和120 nm/s，掩模掃描速度接近500 nm/s，并且要求工件臺具有非常高的運動精度和平穩性。
總結下來，就是需要滿足以下條件：高度輕量化、高形位精度、高尺寸穩定性、清潔無污染，通常該類結構件具有“大、厚、空、薄、輕、精”的特點。
光刻機工作臺
碳化硅陶瓷精密結構部件制備工藝
目前在制備光刻機等集成電路關鍵裝備用碳化硅陶瓷精密結構件時，還存在著諸多的技術難點和挑戰，比如如何實現中空、閉孔結構，以達到高度輕量化、高模態的目標；如何獲得顯微結構均勻、性能穩定的材料；如何實現大尺寸、復雜形狀結構的陶瓷部件的快速制備等。
在陶瓷的近凈成型技術的應用上，國內外都進行了大量的研究。
大尺寸復雜形狀碳化硅陶瓷素坯的凝膠注模成型工藝
當前，中國建材總院在相關碳化硅陶瓷精密部件的研究上走在國內前列，涉及到均質、高強碳化硅陶瓷素坯的制備，碳化硅陶瓷素坯的加工，碳化硅陶瓷連接工藝，以及CVD碳化硅光學膜層制備工藝等，以下將詳細介紹。
1.碳化硅陶瓷凝膠注模成型工藝
凝膠注成型工藝是制備碳化硅陶瓷部件的基礎，該工藝是一種精細的膠態成型工藝 (Colloidal processing)，可實現大尺寸、復雜結構坯體的高強度、高均勻性、近凈尺寸成型，陶瓷料漿制備是凝膠注模成型工藝中的關鍵環節之一。
就碳化硅在光刻機構件中的應用而言，分散良好、高穩定性水基碳/碳化硅料漿的制備是獲得優質、均勻結構碳/碳化硅坯體的前提。此外，料漿具有高的固相體積分數則可以有效減小陶瓷坯體干燥時的收縮，有利于實現陶瓷部件的近凈尺
寸成型。相應地，陶瓷料漿的制備需要解決兩大難題：一是碳和碳化硅兩種陶瓷粉料在相同條件下的均勻分散，二是盡可能提高料漿的固相含量。
碳化硅陶瓷部件制備工藝流程圖
制漿完成后，凝膠注模成型工藝通常采用丙烯酰胺(AM)和N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺(MBAM)等作為有機單體，以過硫酸鹽作為引發劑，通過單體自由基聚合實現對陶瓷懸浮體的原位固化成型。但對于含碳陶瓷料漿，常規方式的聚合誘導期很短，實現凝膠注模成型則相對困難，需加入在碳基體系料漿里能夠延緩單體聚合的添加劑，使陶瓷料漿有充足的時間充滿復雜模具，實現復雜形狀制品的制備。
2.高精度碳化硅陶瓷制品無模成型工藝
雖然采用凝膠注模成型工藝可以實現復雜形狀陶瓷制品的近凈尺寸制備，但該工藝對模具要求高，在制備復雜大尺寸部件時需設計和制造模具，增加了時間成本和模具成本，一定程度上制約了該工藝在陶瓷結構件批量化生產中的應用。另一方面，對一些尺寸精度要求高的陶瓷部件，凝膠注模成型工藝則無法滿足其尺寸精度要求。
與傳統“自下而上”的無模成型工藝不同，陶瓷素坯加工工藝(Green ceramic machining,GCM)是一種“自上而下”的工藝，其原理類似金屬材料或木材的加工過程如車、銑、刨、磨等，利用數控加工技術對陶瓷塊狀素坯進行三維加工，直接得到所需的結構，可以實現陶瓷制品的快速制造，特別適用于結構陶瓷多品種、小批量生產。
數控加工
采用凝膠注模成型工藝制備的陶瓷素坯中，陶瓷顆粒靠三維凝膠網絡結合，顆粒之間結合力小，在加工過程中陶瓷顆粒或顆粒團聚體在刀具的作用下很容易剝落去除。材料去除以脆性剝落為主，不同于金屬材料加工的塑性去除方式，而顆粒的脆性斷裂以及晶界微破碎去除形式也基本不存在。采用金剛石刀具，通過數控機床對陶瓷素坯進行高效、高精度加工，可以實現復雜形狀的碳化硅陶瓷制品的制備。采用該工藝制備的碳化硅陶瓷制品尺寸精度高、表面光潔度高。
3.碳化硅陶瓷反應連接技術
全封閉、中空部件的制備一般采用連接工藝獲得，目前常用的陶瓷連接方法主要有釬焊、擴散焊等，但這些方法均存在工藝復雜、焊接料性能同碳化硅基體差別大等缺點，難以滿足光刻機等集成電路制造裝備對復雜結構部件的使用要求。
根據反應燒結碳化硅的工藝特點，將待粘接零部件進行預處理，并通過粘接料對制品進行粘接，隨后再進行反應燒結，使制品的連接與反應燒結同步完成。通過調節粘接料的組分、控制連接工藝，可實現復雜結構部件的致密、高強度、無縫隙粘接。
反應燒結體粘接層的顯微結構
4.大面積碳化硅陶瓷膜層化學氣相沉積（CVD）技術
光刻機等集成電路關鍵制造裝備中某些高性能光學元件對材料制備有著苛刻的要求，不僅要求材料具有高的穩定性，還需滿足某些特定的光學性能要求。反應燒結碳化硅經拋光后其面型精度高，但是該材料是由碳化硅和游離硅組成的兩相材料，在研磨拋光等過程各相的去除速率不一致，無法達到更高的面型精度，因此無法滿足特定光學部件性能要求。
采用反應燒結碳化硅基體結合化學氣相沉積碳化硅(CVD SiC)膜層的方法制備高性能反射鏡，通過優化先驅體種類、沉積溫度、沉積壓力、反應氣體配比、氣體流場、溫度場等關鍵工藝參數，可實現大面積、均勻CVD SiC膜層的制備，使反射鏡鏡面精度可接近國外同類產品性能指標。
光刻機用碳化硅光學反射鏡
總結
我國集成電路關鍵裝備用精密陶瓷結構件的自主研究和國產化應用推廣才剛剛起步，隨著我國半導體工業的蓬勃發展，市場對該類高端陶瓷結構件的需求會越來越大，碳化硅以其優異的物理化學性能，在集成電路關鍵裝備用結構件領域具有廣闊的應用前景，目前仍然存在碳化硅結構件材料品種單一、大尺寸復雜結構制品成品率低、市場化應用推廣慢等問題，還需要進一步研究和推廣。
參考來源：
1. 光刻機用精密碳化硅陶瓷部件制備技術，劉海林、霍艷麗、胡傳奇、黃小婷、王春朋、梁海龍、唐婕、陳玉峰（現代技術陶瓷）；
2. 先進陶瓷材料研究現狀及發展趨勢，張偉儒、李伶、王坤（新材料產業）；
3. 碳化硅陶瓷研究，劉海林（中國建材）。
粉體圈 小吉
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