在光刻设备上制造精密碳化硅陶瓷元件。

半导体设备用精密陶瓷结构件的特点和要求

集成电路制造的关键设备要求其组件材料具备高纯度、高密度、高强度、高弹性模量、高导热性和低热膨胀系数等特性。此外，结构组件必须具有极高的尺寸精度和结构复杂性，以确保设备能够实现超精密运动和控制。

以光刻机的工作台为例，其主要功能是支撑硅片和掩模，完成曝光过程，其性能直接影响良率和分辨率。工作台需要实现高速、平滑的长行程运动，并具备六个自由度，以达到纳米级超精密运动。对于分辨率为100 nm、套刻精度为33 nm、线宽为10 nm的光刻机，工作台的定位精度必须达到10 nm，掩模在硅片上的同步步进速度和扫描速度应分别达到150 nm/s和120 nm/s，其中掩模扫描速度接近500 nm/s。此外，工作台还必须具备极高的运动精度和稳定性。

因此，工件平台的精密结构部件必须满足以下要求：

（1） 轻的 设计：为了降低转动惯量，减轻电机负载，提高运动效率、定位精度和稳定性，结构部件一般采用轻量化设计，减重率可达 60% 至 80%，最大可达 90%；

（2）几何精度高：为了实现高精度的运动和定位，结构部件需要具有极高的几何精度，平面度、平行度和垂直度要求小于 1 μm，整体几何精度要求小于 5 μm；

（3）尺寸稳定性高：为保证运动和定位的高精度，结构部件必须具有优异的尺寸稳定性，能够抵抗应变，具有高导热性和低热膨胀系数，以最大限度地减少显著的尺寸变形；

（4）清洁无污染：结构部件必须具有极低的摩擦系数，从而在运动过程中最大限度地减少动能损失，并且不应受到研磨颗粒的污染。

硅的应用 碳化物陶瓷光刻机中的

碳化硅是一种结构优异的陶瓷材料，具有高强度、高硬度、高弹性模量、高比刚度、高导热性、低热膨胀系数和优异的化学稳定性等特点。它广泛应用于石油化工、机械制造、核工业和微电子等领域。碳化硅具有极高的弹性模量、导热性和适中的热膨胀系数，以及优异的抛光性能，能够加工成高质量的镜面，同时还具有良好的抗变形和抗热应力性能。通过特殊的轻量化结构设计，可以实现结构件的大幅减重，使其在集成电路制造设备领域得到广泛应用。

碳化硅陶瓷在室温下具有优异的机械性能、出色的高温稳定性以及良好的比刚度和光学加工性能。它们特别适用于制备集成电路设备所需的精密陶瓷结构件，例如碳化硅陶瓷工作台、导轨、反射镜、陶瓷吸盘、机械臂等。 冷却板以及光刻机中使用的吸气装置。

半导体设备用碳化硅结构件的技术挑战

集成电路的核心设备，尤其是那些具有精密陶瓷结构件的设备，通常具有“大、厚、中空、薄、轻、精密”的特点。然而，由于碳化硅是一种具有强Si-C键的共价化合物，它具有极高的硬度和显著的脆性，这使得精密加工极具挑战性。此外，碳化硅的熔点也很高，难以实现致密、近净成形的烧结。在碳化硅结构件的制造过程中，存在着诸多技术难题和挑战：

（1）如何实现满足高轻量化目标的空心闭孔结构？对于具有空心闭孔结构的金属结构件，通常采用钎焊和扩散焊接工艺；但对于结构复杂且不成熟的部件，可能会形成明显的连接界面，导致连接层与基体在成分和性能上存在显著差异。

（2）如何实现碳化硅结构件的高几何精度，从而实现精确的运动和定位。碳化硅的硬度仅次于金刚石，导致碳化硅结构件的加工效率低、成本高，使得实现高几何精度成为一项技术挑战，尤其是在制备尺寸大、超薄、结构复杂（特别是具有中空闭孔结构）的样品时。

（3）如何降低或避免碳化硅产品在成型、干燥、烧结及后续精密加工过程中产生的残余应力，以提高产品质量和成品率。碳化硅生坯在干燥烧结过程中，由于水分去除和有机物损失，容易出现不均匀收缩，导致开裂、变形等缺陷，并在坯体内部引入残余应力。此外，烧结后的后续精密加工中，残余应力可能引发裂纹在产品内部扩展，产生裂纹等缺陷，从而降低产品成品率。制造大尺寸、复杂、不规则的空心结构精密碳化硅结构件极具挑战性。

目前，集成电路制造设备用碳化硅陶瓷市场主要由日本京瓷、美国库尔斯泰克等外国公司主导，国内企业包括中国建材科学研究院、宁波沃肯等。中国在集成电路设备用精密碳化硅结构件的制造技术和应用推广方面的研发起步较晚，仍落后于国际领先企业。