在光刻設備上製造精密碳化矽陶瓷元件。

半導體設備用精密陶瓷結構件的特性與要求

積體電路製造的關鍵設備要求其組件材料具備高純度、高密度、高強度、高彈性模量、高導熱性和低熱膨脹係數等特性。此外，結構組件必須具有極高的尺寸精度和結構複雜性，以確保設備能夠實現超精密運動和控制。

以光刻機的工作台為例，其主要功能是支撐矽片和掩模，完成曝光過程，其性能直接影響良率和解析度。工作台需要實現高速、平滑的長行程運動，並具備六個自由度，以達到奈米級超精密運動。對於解析度為100 nm、套刻精度為33 nm、線寬為10 nm的光刻機，工作台的定位精度必須達到10 nm，掩模在矽片上的同步步進速度和掃描速度應分別達到150 nm/s和120 nm/s，其中掩模掃描速度接近500 nm/s。此外，工作台還必須具備極高的運動精度和穩定性。

因此，工件平台的精密結構部件必須符合以下要求：

（1） 輕的 設計：為了降低轉動慣量，減輕馬達負載，提高運動效率、定位精度和穩定性，結構部件一般採用輕量化設計，減重率可達 60% 至 80%，最大可達 90%；

（2）幾何精度高：為了實現高精度的運動和定位，結構部件需要具有極高的幾何精度，平面度、平行度和垂直度要求小於 1 μm，整體幾何精度要求小於 5 μm；

（3）尺寸穩定性高：為確保運動和定位的高精度，結構部件必須具有優異的尺寸穩定性，能夠抵抗應變，具有高導熱性和低熱膨脹係數，以最大限度地減少顯著的尺寸變形；

（4）清潔無污染：結構部件必須具有極低的摩擦係數，從而在運動過程中最大限度地減少動能損失，並且不應受到研磨顆粒的污染。

矽的應用 碳化物陶瓷光刻機中的

碳化矽是一種結構優異的陶瓷材料，具有高強度、高硬度、高彈性模量、高比剛度、高導熱性、低熱膨脹係數和優異的化學穩定性等特性。它廣泛應用於石油化工、機械製造、核工業和微電子等領域。碳化矽具有極高的彈性模量、導熱性和適中的熱膨脹係數，以及優異的拋光性能，能夠加工成高品質的鏡面，同時還具有良好的抗變形和抗熱應力性能。透過特殊的輕量化結構設計，可以實現結構件的大幅減重，使其在積體電路製造設備領域中廣泛應用。

碳化矽陶瓷在室溫下具有優異的機械性能、出色的高溫穩定性以及良好的比剛度和光學加工性能。它們特別適用於製備積體電路設備所需的精密陶瓷結構件，例如碳化矽陶瓷工作台、導軌、反射鏡、陶瓷吸盤、機械手臂等。 冷卻板以及光刻機中所使用的吸氣裝置。

半導體設備用碳化矽結構件的技術挑戰

積體電路的核心設備，尤其是那些具有精密陶瓷結構件的設備，通常具有「大、厚、中空、薄、輕、精密」的特性。然而，由於碳化矽是一種具有強Si-C鍵的共價化合物，它具有極高的硬度和顯著的脆性，這使得精密加工極具挑戰性。此外，碳化矽的熔點也很高，難以達到緻密、近淨成形的燒結。在碳化矽結構件的製造過程中，存在著許多技術難題與挑戰：

（1）如何達成滿足高輕量化目標的空心閉孔結構？對於具有空心閉孔結構的金屬結構件，通常採用釬焊和擴散焊接工藝；但對於結構複雜且不成熟的部件，可能會形成明顯的連接界面，導致連接層與基體在成分和性能上有顯著差異。

（2）如何實現碳化矽結構件的高幾何精度，從而實現精確的運動和定位。碳化矽的硬度僅次於鑽石，導致碳化矽結構件的加工效率低、成本高，使得實現高幾何精度成為一項技術挑戰，尤其是在製備尺寸大、超薄、結構複雜（特別是具有中空閉孔結構）的樣品時。

（3）如何降低或避免碳化矽產品在成型、乾燥、燒結及後續精密加工過程中所產生的殘餘應力，以提高產品品質及成品率。碳化矽生坯在乾燥燒結過程中，由於水分去除和有機物損失，容易出現不均勻收縮，導致開裂、變形等缺陷，並在坯體內部引入殘餘應力。此外，在燒結後的後續精密加工中，殘餘應力可能引發裂縫在產品內部擴展，產生裂縫等缺陷，進而降低產品成品率。製造大尺寸、複雜、不規則的空心結構精密碳化矽結構件極具挑戰性。

目前，積體電路製造設備用碳化矽陶瓷市場主要由日本京瓷、美國庫爾斯泰克等外國公司主導，國內企業包括中國建材科學研究院、寧波沃肯等。中國在積體電路設備用精密碳化矽結構件的製造技術和應用推廣的研發起步較晚，仍落後於國際領導者。