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堇青石在半导体领域的重要应用:光刻机移动平台

作者:粉体圈 更新时间:2023-11-09 15:45 来源:粉体圈 点击数:1445

半导体产业是关乎国家经济、政治和国防安全的战略产业,在半导体产业中,以光刻机为代表的核心装备是现代技术高度集成的产物,涉及光学、材料学、计算机科学等诸多学科,其设计和制造过程均能体现出相关科学技术领域的最高水平,该设备对精密结构件也提出了极高的要求,而先进陶瓷在其中充当着极其重要的角色。

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而在一台光刻机的制造中,光刻机移动平台的材料体系设计是光刻机获得高精度、高速度的关键。为了有效抵抗移动平台在扫描过程中由于高速移动而产生的变形,平台材料应包括具有较高比刚度的低热膨胀材料,即此类材料具备高模量的同时满足低密度的需求。另外,材料还需要较高的比刚度,这能够使整个平台在承受更高加速度和速度的同时保持相同的失真水平。通过在不增加失真的情况下以更高的速度转换掩模,增加吞吐量,在保证高精度的同时提高工作效率。

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光刻机结构示意图



光刻机移动平台材料的发展

早期的光刻设备选用的是德国肖特公司的微晶玻璃(Zerodur)、石英玻璃以及ULE玻璃(康宁低膨胀玻璃)等材料,其中Zerodur的应用最多。这种玻璃陶瓷材料的热膨胀系数在大范围的工作温度下基本为零,具备一定的强度和硬度,但在实际应用过程中其弹性模量较低,在维持所需刚度的同时需要增加厚度,即无法实现轻量化,逐渐难以满足光刻机移动平台的高速及高精度的需求。

此外,在将Zerodur应用于超高端EUV光刻设备的研发过程中,作为EUV光刻机的镜面衬底材料,Zerodur需要具备极低的基板表面粗糙度(EUV光刻的基片需要0.1
nm的均方根粗糙度),尽管微晶玻璃可以实现0.1
nm的均方根粗糙度,但微晶玻璃在EUV离子束蚀刻过程中很容易发生磨损,从而导致精度下降,因此寻求新的合适的材料体系满足高端光刻机的使用需求成为研究人员继续解决的新难题。

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肖特公司Zerodur低热膨胀微晶玻璃

随着人们对高端、超高端光刻机日益增加的需求,国外ASML、NIKON和CANON等公司相继开始研发新的材料体系作为光刻机的平台结构材料,均具备较低的热膨胀系数,其中堇青石是高温领域最常用的低热膨胀陶瓷,由于密度低、弹性模量高而备受关注。

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由上表可知,堇青石材料的弹性模量远远超过了Zerodur(约增加了55%),而密度只是略高于Zerodur。同时堇青石材料的低热膨胀系数与Zerodur相当,同样具备良好的热稳定性,此外,堇青石的导热系数几乎是Zerodur的三倍,这决定了材料在使用过程中能够更大程度地散热,从而更好地满足热稳定性需求。堇青石具备高的弹性模量,可以有效抵制平台高速移动扫描过程中的变形,增加稳定性。在满足刚度条件的基础上,选择堇青石材料作为平台基板材料,所需的质量远远小于微晶玻璃和石英玻璃材料作为平台结构材料,从而实现轻量化需求。

因此,研究者逐渐发现,堇青石作为一种新型的半导体光刻机平台材料具有良好的应用前景,尤其是在作为EUV光刻机移动平台材料时,不会因EUV射线的影响而发生变形,综合性能优于原来采用的微晶玻璃,从而备受各国研发公司的青睐。



堇青石光刻机移动平台的发展现状

在20世纪80年代,国外已能够制备出性能优良的堇青石陶瓷并投入生产,其中以美国、德国和日本的产品质量最优,且日本的京瓷、日立等公司的系列产品均已被应用于光刻机工作平台部件中。

日本京瓷公司堇青石产品性能

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关于堇青石陶瓷的性能特点、制备工艺以及性能调控手段可阅读以下文章。

扩展阅读:

堇青石陶瓷有哪些应用潜力?

由于堇青石材料高的比刚度、与微晶玻璃相近的低热膨胀特性,ASML公司很早便开始了其在光刻机平台材料的应用研发,使得光刻机移动平台结构材料不断更新完善。综合ASML公司的研发情况,堇青石自身良好的比刚性以及高的热导率,可以有效抵抗光刻机的高速移动引发的变形,但堇青石本身的脆性导致其在抛光时会产生裂纹、孔洞等缺陷,影响其正常使用,因此可以采用增加覆盖层(增加一层微晶玻璃)或通过第二相增韧技术来提高其断裂韧性,减少后期加工时的缺陷。

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某型号的光刻机某部件平台结构设计

下表是部分国外公司公开的堇青石陶瓷用于光刻机移动平台等关键部件的性能调控手段。

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与国外相比,国内对堇青石材料的研究起步较晚,目前仍处于小规模或试制研发阶段,生产的堇青石材料无论在力学性能还是热稳定性上均和国外有较大的差距。为了解决我国高端半导体装备依赖进口的困局,国家组织了科技重大专项“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”(简称02专项),但我国目前还没有针对低膨胀陶瓷在半导体装备上的应用方面的专题研究,所需的陶瓷材料及部件依然无法摆脱依赖进口的局面。

与国外先进光刻机生产商相比,我国的光刻技术仍然面临较多的问题:

(1)光刻机平台材料研发不足,低膨胀陶瓷在半导体装备应用方面的研发投入较少。我国虽然开展了02专项系列研发工作,但是目前并没有开展低热膨胀陶瓷在半导体装备上的研发工作,光刻机平台材料的制备技术不成熟,严重影响了国内光刻技术的发展;

(2)堇青石材料的制备性能偏低,热稳定性差,关于热膨胀系数可调节方面的研究较少,且仍处于实验室研发阶段,无法满足陶瓷制备生产的工艺稳定性要求。


参考来源:

堇青石材料在光刻机领域的应用进展,张丛、尹飞、郭建斌、刘发付、郭在在、韩晗(材料导报)。

粉体圈小吉