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，黃小婷，王春朋，梁海龍，唐　婕，陳玉峰

中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院，北京100024

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，黃小婷，王春朋，梁海龍，唐婕，陳玉峰

中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院，北京100024

本文介紹了光刻機(jī)用碳化硅陶瓷結(jié)構(gòu)件的特點(diǎn)及其對(duì)材料的要求，分析了碳化硅陶瓷在光刻機(jī)中作為結(jié)構(gòu)件材料使用的優(yōu)勢(shì)，著重介紹了中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院在精密碳化硅結(jié)構(gòu)件的制備領(lǐng)域所取得的技術(shù)成果，列舉了精密碳化硅結(jié)構(gòu)件在光刻機(jī)等集成電路制造關(guān)鍵裝備中的應(yīng)用。

碳化硅；凝膠注模；素坯加工；反應(yīng)連接；化學(xué)氣相沉積；集成電路；光刻機(jī)

集成電路產(chǎn)業(yè) （即IC產(chǎn)業(yè)） 是關(guān)乎國(guó)家經(jīng)濟(jì)、政治和國(guó)防安全的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)［1］，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。以光刻機(jī)為代表的集成電路關(guān)鍵裝備是現(xiàn)代技術(shù)高度集成的產(chǎn)物，其設(shè)計(jì)和制造過程均能體現(xiàn)出包括材料科學(xué)與工程、機(jī)械加工等在內(nèi)的諸多相關(guān)科學(xué)領(lǐng)域的最高水平。例如，對(duì)于材料科學(xué)與工程學(xué)科而言，集成電路制造關(guān)鍵裝備要求零部件材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)、高導(dǎo)熱系數(shù)和低熱膨脹系數(shù)等特點(diǎn)，且致密均勻無缺陷；對(duì)于機(jī)械加工學(xué)科而言，集成電路制造關(guān)鍵裝備則要求零部件具有極高的尺寸精度和尺寸穩(wěn)定性，以保證設(shè)備實(shí)現(xiàn)超精密運(yùn)動(dòng)和控制。

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(dǎo)熱系數(shù)和低的熱膨脹系數(shù)，熱穩(wěn)定性高，因此碳化硅陶瓷是一種優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、航天、石油化工、機(jī)械制造、核工業(yè)、微電子工業(yè)等領(lǐng)域［2，3］。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)。因此，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，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(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用［4］。目前只有日本、美國(guó)等少數(shù)幾個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家的少數(shù)企業(yè) （如日本的Kyocera［5］、美國(guó)的CoorsTek［6］等） 成功地將碳化硅陶瓷材料應(yīng)用于集成電路制造關(guān)鍵裝備中，如光刻機(jī)用碳化硅工件臺(tái)、導(dǎo)軌、反射鏡、陶瓷吸盤、手臂等。

在國(guó)內(nèi)，中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院率先開展了極大規(guī)模集成電路制造裝備用精密碳化硅結(jié)構(gòu)件的制備工藝研究，攻克了以光刻機(jī)為代表的集成電路制造關(guān)鍵裝備用大尺寸、中空薄壁、復(fù)雜結(jié)構(gòu)、精密碳化硅結(jié)構(gòu)件制備的技術(shù)難關(guān)，形成一系列自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專利技術(shù)，制備出了諸如碳化硅真空吸盤、導(dǎo)軌、反射鏡、工件臺(tái)等一系列光刻機(jī)用精密碳化硅結(jié)構(gòu)件，滿足了光刻機(jī)等集成電路制造關(guān)鍵裝備用精密結(jié)構(gòu)件的使用要求，推動(dòng)了我國(guó)集成電路關(guān)鍵裝備的獨(dú)立自主健康發(fā)展。

本文重點(diǎn)介紹了中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院 （以下簡(jiǎn)稱中國(guó)建材總院） 在高精密、復(fù)雜碳化硅結(jié)構(gòu)件研制方面取得的技術(shù)成果，并列舉了部分光刻機(jī)用精密碳化硅部件的典型應(yīng)用實(shí)例。

1集成電路制造裝備用精密陶瓷結(jié)構(gòu)件的特點(diǎn)

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［7］。

以光刻機(jī)中工件臺(tái)為例，該工件臺(tái)主要負(fù)責(zé)完成曝光運(yùn)動(dòng)，要求實(shí)現(xiàn)高速、大行程、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［7］。

圖1所示為典型的光刻機(jī)工件臺(tái)及框架設(shè)計(jì)。該部件設(shè)計(jì)為內(nèi)部輕量化、整體封閉中空結(jié)構(gòu)，內(nèi)部加強(qiáng)筋板厚度為3 mm，外部壁厚為5 mm，外形尺寸440 mm × 440 mm × 60 mm。該類結(jié)構(gòu)件具有“大、厚、空、薄、輕、精”的特點(diǎn)。

一般說來，光刻機(jī)用工件臺(tái)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。

圖1　工件臺(tái)及微動(dòng)臺(tái) （局部剖面） 示意圖Figure 1 3D model of the stage with local section

碳化硅材料具有極高的彈性模量、導(dǎo)熱系數(shù)和較低的熱膨脹系數(shù)，不易產(chǎn)生彎曲應(yīng)力變形和熱應(yīng)變，并且具有極佳的可拋光性，可以通過機(jī)械加工至優(yōu)良的鏡面；因此采用碳化硅作為光刻機(jī)等集成電路關(guān)鍵裝備用精密結(jié)構(gòu)件材料具有極大的優(yōu)勢(shì)。但是傳統(tǒng)的陶瓷制備工藝如注漿、干壓等很難實(shí)現(xiàn)諸如光刻機(jī)工作臺(tái)這類復(fù)雜部件的制備。為此，中國(guó)建材總院研發(fā)出一系列成型、燒結(jié)技術(shù)，解決了采用碳化硅材料制作此類部件的國(guó)產(chǎn)化問題。

2碳化硅陶瓷精密結(jié)構(gòu)部件制備工藝

碳化硅陶瓷具有高強(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)等優(yōu)良性能，是一種理想的高性能結(jié)構(gòu)材料，但將其應(yīng)用于制備具有“大、厚、空、薄、輕、精”特點(diǎn)的光刻機(jī)等集成電路關(guān)鍵裝備用精密結(jié)構(gòu)件時(shí)，卻存在諸多的技術(shù)難點(diǎn)和挑戰(zhàn)，比如如何實(shí)現(xiàn)中空、閉孔結(jié)構(gòu)，以達(dá)到高度輕量化、高模態(tài)的目標(biāo)；如何獲得顯微結(jié)構(gòu)均勻、性能穩(wěn)定的材料；如何實(shí)現(xiàn)大尺寸、復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)的陶瓷部件的快速制備等。

中國(guó)建材總院在近凈尺寸成型工藝 —— 凝膠注模成型的基礎(chǔ)上，開發(fā)出用于制備新型大尺寸、復(fù)雜形狀、高精度碳化硅陶瓷部件的工藝技術(shù)，這一技術(shù)的具體工藝流程如圖 2所示［8］。首先分析陶瓷部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)制造出簡(jiǎn)單或復(fù)雜的模具進(jìn)行凝膠注模成型，制備陶瓷部件素坯；然后對(duì)陶瓷部件素坯進(jìn)行精密加工，提高陶瓷部件尺寸精度及表面光潔度；最后進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)得到制品。對(duì)于中空結(jié)構(gòu)碳化硅陶瓷部件則采用粘結(jié)工藝將陶瓷素坯單體部件粘結(jié)形成整體部件，然后放置到真空燒結(jié)爐中燒結(jié)得到所設(shè)計(jì)的碳化硅陶瓷部件。

該制備流程中的關(guān)鍵工藝包括凝膠注模成型工藝、陶瓷素坯加工工藝和陶瓷素坯連接工藝。其中，凝膠注成型工藝是制備碳化硅陶瓷部件的基礎(chǔ)，該工藝是一種精細(xì)的膠態(tài)成型工藝 （Colloidal processing）［9，10］，可實(shí)現(xiàn)大尺寸、復(fù)雜結(jié)構(gòu)坯體的高強(qiáng)度、高均勻性、近凈尺寸成型，自上世紀(jì) 90年代以來在特種陶瓷材料制備領(lǐng)域獲得了廣泛的研究。陶瓷素坯加工工藝［11］可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀陶瓷部件的快速、低成本、精密制造，有效提高陶瓷部件的尺寸精度及表面光潔度。陶瓷素坯連接工藝則可以實(shí)現(xiàn)中空陶瓷部件的制備，主要采用陶瓷粘結(jié)劑將陶瓷單體部件進(jìn)行連接獲得整體中空部件。

圖2　碳化硅陶瓷部件制備工藝流程圖Figure 2 Flowchart of the fabrication of SiC component

為實(shí)現(xiàn)均質(zhì)、高強(qiáng)碳化硅陶瓷素坯的制備，中國(guó)建材總院對(duì)高固相含量、低粘度凝膠注模成型用水基碳/碳化硅料漿制備工藝及含碳陶瓷料漿的凝膠化技術(shù)進(jìn)行了研究；同時(shí)對(duì)凝膠注模成型碳化硅陶瓷素坯的加工性能進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)了陶瓷素坯的精密加工；對(duì)碳化硅陶瓷連接工藝進(jìn)行研究，優(yōu)化連接工藝，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀、中空閉孔結(jié)構(gòu)碳化硅陶瓷部件的制備。針對(duì)于光刻機(jī)中的碳化硅陶瓷反射鏡光學(xué)部件，研究了CVD-碳化硅光學(xué)膜層制備工藝，以下分別介紹主要研究?jī)?nèi)容。

2.1高固相含量、低粘度凝膠注模成型用水基碳/碳化硅料漿的制備工藝

陶瓷料漿制備是凝膠注模成型工藝中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。就碳化硅在光刻機(jī)構(gòu)件中的應(yīng)用而言，分散良好、高穩(wěn)定性水基碳/碳化硅料漿的制備是獲得優(yōu)質(zhì)、均勻結(jié)構(gòu)碳/碳化硅坯體的前提。此外，料漿具有高的固相體積分?jǐn)?shù)則可以有效減小陶瓷坯體干燥時(shí)的收縮，有利于實(shí)現(xiàn)陶瓷部件的近凈尺寸成型。相應(yīng)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。

我們?cè)谙到y(tǒng)研究碳化硅顆粒級(jí)配、碳顆粒與碳化硅顆粒的比例及分散劑用量、料漿酸堿度等對(duì)料漿流變性能影響的基礎(chǔ)上，摸索出了最佳的料漿制備工藝［12］：首先將碳粉和分散劑聚乙烯吡咯烷酮 （PVP） 加入到配好的單體溶液中球磨混合 12 h，然后加入碳化硅粉料和分散劑四甲基氫氧化銨（TMAH） 再球磨混合12 h。為實(shí)現(xiàn)碳顆粒和碳化硅顆粒的同條件均勻分散以及獲得高固相體積含量，在這一工藝采用的碳化硅顆粒為采用平均粒徑 （d50） 分別為43 μm和3.8 μm的兩種碳化硅顆粒的均勻混合物。圖3所示為采用上述優(yōu)化工藝制備的典型水基碳/碳化硅料漿的流變性能曲線。可以看出，當(dāng)料漿固相含量低于67 vol％ 時(shí)，在50 s-1剪切速率下料漿粘度小于1 Pa.s。這表明所制備的料漿具有良好的流動(dòng)性，容易充滿復(fù)雜形狀模具，這就在很大程度上降低了陶瓷坯體中存在氣泡及缺料等缺陷的可能性，有助于提高后續(xù)凝膠注模成型制品的質(zhì)量。

圖4所示為采用上述高固相、低粘度水基碳/碳化硅料漿通過凝膠注模成型制備的復(fù)雜形狀碳化硅陶瓷制品。從圖中可以看出，制品結(jié)構(gòu)完整，薄壁部位無氣泡等缺陷的存在，這也說明了高固相、低粘度料漿是制備復(fù)雜形狀陶瓷制品的關(guān)鍵。

圖3　不同固相含量碳/碳化硅料漿的粘度曲線Figure 3 Viscosity of the C/SiC slurries with different solid loadings

圖4　凝膠注模成型制備的碳化硅陶瓷制品Figure 4 Silicon carbide component made through gel-casting process

2.2含碳陶瓷料漿的凝膠可控聚合技術(shù)

凝膠注模成型是一種先進(jìn)的膠態(tài)成型工藝，是制備大尺寸、復(fù)雜形狀陶瓷制品最有效的一種工藝技術(shù)。該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(jī)單體，以過硫酸鹽作為引發(fā)劑，通過單體自由基聚合實(shí)現(xiàn)對(duì)陶瓷懸浮體的原位固化成型［9，10］。但對(duì)于含碳陶瓷料漿，凝膠注模成型則遇到了一定的困難。采用過硫酸銨 （APS） 作為引發(fā)劑，研究了引發(fā)劑用量對(duì)水基碳/碳化硅料漿的溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系，結(jié)果示于圖 5［13］。由于單體的聚合是快速放熱反應(yīng)，因此檢測(cè)料漿的溫度變化可以表征單體聚合的誘導(dǎo)期。圖5表示出了碳/碳化硅料漿中AM單體聚合的幾個(gè)顯著特點(diǎn)：（1） 聚合誘導(dǎo)期很短。隨著引發(fā)劑用量從每100 h料漿0.075 g減少到0.025 g，聚合誘導(dǎo)期也僅僅是從12 s 增加到18 s。（2） 單體終止聚合較快。從單體開始引發(fā)到終止聚合的時(shí)間不超過1 min。（3） 料漿溫升較小。分析認(rèn)為導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要在于炭黑會(huì)加速引發(fā)劑過硫酸銨的分解且對(duì)初級(jí)自由基具有極強(qiáng)的捕獲能力［14］。

圖5　不同APS用量時(shí)碳/碳化硅料漿的溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系Figure 5 Temperature of C/SiC slurry vs polymerization time with different APS contents

圖6　不同乙酰丙酮用量時(shí)碳/碳化硅料漿的溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系Figure 6 Temperature of C/SiC slurry vs polymerization time with different ACAC contents

較低的單體聚合轉(zhuǎn)化率以及很短的聚合誘導(dǎo)期顯然不能滿足大尺寸、復(fù)雜結(jié)構(gòu)坯體凝膠注模成型的要求。為了延長(zhǎng)聚合誘導(dǎo)期，實(shí)現(xiàn)陶瓷料漿均勻固化的目標(biāo)，可以采用由APS與亞硫酸鹽或亞硫酸氫鹽組成的氧化還原體系來引發(fā)單體聚合，并在該體系中添加緩聚劑乙酰丙酮 （ACAC） 以延長(zhǎng)單體聚合反應(yīng)誘導(dǎo)期［13，14］。圖6所示為不同乙酰丙酮用量情況下碳/碳化硅料漿的溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線。對(duì)比圖5和圖6可以看出，緩聚劑ACAC的加入有效延長(zhǎng)了單體聚合誘導(dǎo)期。這主要是因?yàn)橐阴１哂型胶拖┐际絻煞N異構(gòu)體，其中烯醇式異構(gòu)體具有較高的活性，可以與碳顆粒的稠環(huán)芳烴結(jié)構(gòu)一起競(jìng)爭(zhēng)捕獲初級(jí)自由基，形成新的自由基，新的自由基可以與還原劑逐步反應(yīng)形成能與單體加成的自由基，從而延緩了單體的聚合，使陶瓷料漿有充足的時(shí)間充滿復(fù)雜模具，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀制品的制備。

2.3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(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀陶瓷制品的近凈尺寸制備，但該工藝對(duì)模具要求高，在制備復(fù)雜大尺寸部件時(shí)需設(shè)計(jì)和制造模具，增加了時(shí)間成本和模具成本，一定程度上制約了該工藝在陶瓷結(jié)構(gòu)件批量化生產(chǎn)中的應(yīng)用。另一方面，對(duì)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。

陶瓷素坯加工工藝 （Green ceramic machining，簡(jiǎn)稱GCM）［11］最早提出于20世紀(jì)90年代。與傳統(tǒng)“自下而上”的無模成型工藝［15］不同，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(shù)控加工技術(shù)對(duì)陶瓷塊狀素坯進(jìn)行三維加工，直接得到所需的結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)陶瓷制品的快速制造，特別適用于結(jié)構(gòu)陶瓷多品種、小批量生產(chǎn)。由于加工技術(shù)的限制以及傳統(tǒng)陶瓷成型工藝制備的素坯強(qiáng)度低、結(jié)構(gòu)不均勻等因素，早期 GCM的發(fā)展相當(dāng)緩慢。近年來，隨著數(shù)控加工技術(shù)以及陶瓷成型工藝的發(fā)展，特別是凝膠注模成型工藝的出現(xiàn)，GCM越來越引起了人們的注意［16，17］。

中國(guó)建材總院對(duì)凝膠注模成型碳化硅陶瓷素坯的性能及加工性能進(jìn)行了研究。凝膠注模成型工藝制備的碳化硅陶瓷素坯顯微結(jié)構(gòu)均勻，三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度達(dá)到8 MPa，遠(yuǎn)高于注漿及干壓成型工藝制備的陶瓷素坯，滿足機(jī)械加工的要求［18］。采用凝膠注模成型工藝制備的陶瓷素坯中，陶瓷顆?？咳S凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，顆粒之間結(jié)合力小，在加工過程中陶瓷顆?；蝾w粒團(tuán)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去除方式為主，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。

我們的研究表明［18，19］：采用金剛石刀具，通過數(shù)控機(jī)床對(duì)陶瓷素坯進(jìn)行高效、高精度加工，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)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。圖7所示為采用數(shù)控機(jī)床加工得到的高精度碳化硅陶瓷素坯制品照片。從圖中可以看出，采用該工藝制備的制品尺寸精度高，外形保持完好，可以較小降低后期加工成本，獲得高質(zhì)量的產(chǎn)品。

圖7　陶瓷素坯加工制品照片F(xiàn)igure 7 Green preform fabricated through green ceramic machining

2.4碳化硅陶瓷反應(yīng)連接技術(shù)

全封閉、中空部件的制備一般采用連接工藝獲得。在集成電路制造裝備中使用的碳化硅陶瓷中空部件的制備同樣也可以采用連接工藝獲得。目前常用的陶瓷連接方法主要有釬焊、擴(kuò)散焊等［20］，但這些方法均存在工藝復(fù)雜、焊接料性能同碳化硅基體差別大等缺點(diǎn)，難以滿足光刻機(jī)等集成電路制造裝備對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件的使用要求。為此，我們根據(jù)反應(yīng)燒結(jié)碳化硅的工藝特點(diǎn)，開發(fā)了一種碳化硅陶瓷反應(yīng)連接工藝。該技術(shù)借鑒了硅碳反應(yīng)形成 β-SiC的原理，將待粘接零部件進(jìn)行預(yù)處理，并通過自制的粘接料，對(duì)制品進(jìn)行粘接，隨后再進(jìn)行反應(yīng)燒結(jié)，使制品的連接與反應(yīng)燒結(jié)同步完成。通過調(diào)節(jié)粘接料的組分、控制連接工藝，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件的致密、高強(qiáng)度、無縫隙粘接［21］。

這一新型的反應(yīng)連接工藝首先是將凝膠注模成型的碳化硅坯體結(jié)構(gòu)件待粘接表面進(jìn)行清理，用丙酮等有機(jī)溶液清洗，獲得無雜質(zhì)污染的高質(zhì)量粘接面；然后把含硅、碳的粘接料均勻涂覆到待粘接表面，在一定的壓力和110°C ～ 120°C 溫度耦合作用下使粘接料固化，將連接件連接在一起；隨后將坯件放置在燒結(jié)爐中進(jìn)行反應(yīng)燒結(jié)，在高溫下粘結(jié)劑中的碳和硅發(fā)生反應(yīng)生成β-SiC，與母材連接在一起。該工藝連接的粘接層厚度在50 μm左右，且粘接層為碳化硅材質(zhì)，粘接層中成分和組織可控，在力學(xué)性能、熱膨脹系數(shù)等方面與母材具有較高的匹配性。

圖8所示為反應(yīng)燒結(jié)碳化硅粘結(jié)層的顯微結(jié)構(gòu)照片。從圖中可以看出，在采用專用粘接料粘接的樣品中，粘接層均勻致密，且粘接層與基體材料之間的界面比較模糊，表明其與碳化硅基體材料粘接效果好。經(jīng)能譜分析發(fā)現(xiàn)，該粘接層具有與基體碳化硅相同的成分，其物相由原始α-SiC、新生β-SiC及殘余Si相組成。該粘接層的厚度為20 μm左右。

將樣品制備成尺寸為 （3 ～ 10） mm × 3 mm × 36 mm的試條，通過粘接、高溫滲硅反應(yīng)制備成粘結(jié)面積為3 mm × 3 mm的十字形碳化硅結(jié)構(gòu)件，采用十字交叉法［22］測(cè)試樣品的粘接強(qiáng)度。測(cè)試表明，十字形粘接的碳化硅結(jié)構(gòu)件斷裂均發(fā)生在基體碳化硅上，粘結(jié)部位無斷裂。由此可見，采用反應(yīng)連接工藝可以實(shí)現(xiàn)中空、封閉碳化硅陶瓷部件的制備，并獲得良好的粘結(jié)效果。

圖9為所示采用該工藝制備的超輕量化、中空、密閉碳化硅工件臺(tái)。

2.5大面積碳化硅陶瓷膜層化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)

光刻機(jī)等集成電路關(guān)鍵制造裝備中某些高性能光學(xué)元件對(duì)材料制備有著苛刻的要求，不僅要求材料具有高的穩(wěn)定性，還需滿足某些特定的光學(xué)性能要求。反應(yīng)燒結(jié)碳化硅經(jīng)拋光后其面型精度PV 值 （即表面形貌的最大峰谷值） 可達(dá)到1/2 λ （λ = 0.6328 μm，用可見光波長(zhǎng)的光表征光學(xué)表面面型精度），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(dá)到更高的面型精度，因此無法滿足特定光學(xué)部件性能要求。中國(guó)建材總院開發(fā)出了反應(yīng)燒結(jié)碳化硅基體結(jié)合化學(xué)氣相沉積碳化硅 （CVD SiC） 膜層的方法制備高性能反射鏡。CVD SiC光學(xué)可加工性極好，光學(xué)加工后面型精度PV值可達(dá)1/60 λ （λ = 0.6328 μm），表面粗糙度可以達(dá)到1?［23］。

圖8　反應(yīng)燒結(jié)體粘接層的顯微結(jié)構(gòu)Figure 8 Microstructure of the joint part

圖9　中空、封閉碳化硅陶瓷部件Figure 9 Silicon carbide component with hollow structure

圖10　碳化硅反射鏡光學(xué)檢測(cè)結(jié)果 （面形圖和干涉圖）Figure 10 Surface shape and interferogram test result of SiC mirror

中國(guó)建材總院對(duì)化學(xué)氣相沉積 （CVD） 工藝已經(jīng)有了近10年的研究，對(duì)先驅(qū)體種類、沉積溫度、沉積壓力、反應(yīng)氣體配比、氣體流場(chǎng)、溫度場(chǎng)等關(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的研究［24，25］，通過優(yōu)化工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了大面積、均勻CVD SiC膜層的制備。圖10所示為反射鏡表面拋光后光學(xué)檢測(cè)結(jié)果，其面型精度PV值為0.109 λ （λ = 0.6328 μm），表面形貌的均方根值 （RMS值） 達(dá)到了0.013λ （λ = 0.6328 μm），反射鏡鏡面質(zhì)量?jī)?yōu)異，接近國(guó)外同類產(chǎn)品性能指標(biāo)［26］。

3碳化硅陶瓷性能對(duì)比

表1所示為中國(guó)建材總院制備的碳化硅材料同國(guó)外在售材料性能參數(shù)對(duì)比，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)中國(guó)建材總院制備材料性能已經(jīng)接近國(guó)外先進(jìn)水平，在某些性能參數(shù)方面已經(jīng)超過了國(guó)外水平。

表1　不同廠商制備的碳化硅陶瓷性能對(duì)比Table1 Comparison of properties of SiC ceramics from different suppliers

4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

目前全球集成電路制造裝備支出達(dá)到500億美元，其中陶瓷結(jié)構(gòu)件占支出的20％ 以上。目前IC制造裝備用高端碳化硅陶瓷零部件70％ 被Kyocera、CoorsTek兩家公司壟斷，剩余部分也被歐美日企業(yè)所占據(jù)。Kyocera和CoorsTek產(chǎn)品的特點(diǎn)是種類齊全、市場(chǎng)覆蓋面廣，以半導(dǎo)體用陶瓷組件為例，CoorsTek提供的精密陶瓷結(jié)構(gòu)件涵蓋了光刻機(jī)專用組件、等離子刻蝕設(shè)備專用組件、PVD/CVD專用組件、離子注入設(shè)備專用組、件晶片吸附固定傳輸專用組件等一系列產(chǎn)品；Kyocera則提供光刻機(jī)、晶圓制造設(shè)備、刻蝕機(jī)、沉積設(shè)備 （CVD、PVD）、液晶面板 （LCD） 制造裝備等專用的陶瓷零部件［5，6，27-29］。

我國(guó)集成電路關(guān)鍵裝備用精密陶瓷結(jié)構(gòu)件的自主研究和國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用推廣才剛剛起步，隨著我國(guó)半導(dǎo)體工業(yè)的蓬勃發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)該類高端陶瓷結(jié)構(gòu)件的需求會(huì)越來越大，碳化硅以其優(yōu)異的物理化學(xué)性能，在集成電路關(guān)鍵裝備用結(jié)構(gòu)件領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，中國(guó)建材總院在該領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行了初步的研制與探索并取得了良好的成果。圖11所示為中國(guó)建材總院制備的光刻機(jī)用典型精密碳化硅結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品。

5結(jié) 語

碳化硅陶瓷具有優(yōu)良的常溫力學(xué)性能 （如高強(qiáng)度、高硬度、高彈性模量等）、優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性（如高導(dǎo)熱系數(shù)、低熱膨脹系數(shù)等） 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，如用于光刻機(jī)中的精密運(yùn)動(dòng)工件臺(tái)、骨架、吸盤、水冷板以及精密測(cè)量反射鏡、光柵等陶瓷結(jié)構(gòu)件等，而目前此類產(chǎn)品均為國(guó)外企業(yè)所壟斷，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)用推廣研究尚處于空白。

圖11　中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院制備的光刻機(jī)用精密碳化硅結(jié)構(gòu)件Figure 11 Typical SiC components for lithography equipment

中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院經(jīng)過多年的技術(shù)攻關(guān)，解決了大尺寸、薄壁、中空等復(fù)雜結(jié)構(gòu)碳化硅結(jié)構(gòu)件的精密加工制備難題，突破了該類精密碳化硅結(jié)構(gòu)件制備技術(shù)的技術(shù)瓶頸，極大地推進(jìn)了我國(guó)集成電路制造裝備用關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的國(guó)產(chǎn)化，對(duì)我國(guó)集成電路關(guān)鍵裝備的獨(dú)立自主健康發(fā)展具有重要的意義。但目前仍然存在碳化硅結(jié)構(gòu)件材料品種單一、大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)制品成品率低、市場(chǎng)化應(yīng)用推廣慢等問題，還需要進(jìn)一步研究和推廣。

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Preparation of High Precision SiC Components for Lithography Equipment

LIU Hai-Lin， HUO Yan-Li， HU Chuan-Qi， HUANG Xiao-Ting， WANG Chun-Peng，LIANG Hai-Long， TANG Jie， CHEN Yu-Feng
China Building Materials Academy， Beijing， 100024， China

Based on the introduction of the characteristics and requirements of structural ceramic components used in semiconductor especially lithography equipment， the application advantages of silicon carbide ceramics were analyzed. Then the technical achievements in the field of making highprecision silicon carbide components made by China Building Materials Academy （CBMA） during the last 10 years were outlined. Typical silicon carbide components such as vacuum chuck， handling arms， trays， stage， integrated mirrors for stage which made by CBMA were also shown in this paper.

Silicon carbide； Gel casting； Green ceramic machining； Reaction-bonding， CVD；Integrated circuit； Lithography equipment

TB321

1005-1198 （2016） 03-0168-11

A

10.16253/j.cnki.37-1226/tq.2016.02.011

2016-02-03

2016-03-18

劉海林 （1980 -），男，山東青州人，高級(jí)工程師。E-mail：liuhailinbj@163.com

陳玉峰 （1966 -），男，河南南陽(yáng)人，教授級(jí)高工。E-mail：chenyufeng@cbmamail.com.cn

劉海林，男，高級(jí)工程師。主要從事高性能陶瓷材料、陶瓷基復(fù)合材料、CVD/PVD薄膜制備技術(shù)、陶瓷材料3D打印技術(shù)的研究工作，共負(fù)責(zé)或參與承擔(dān)國(guó)家級(jí)科研項(xiàng)目7項(xiàng)，發(fā)表論文10余篇，申請(qǐng)專利5項(xiàng)，作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人獲得中國(guó)建材集團(tuán)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)一項(xiàng)，并獲得中國(guó)建材總院青年崗位能手和中國(guó)建材總先進(jìn)個(gè)人稱號(hào)。

陳玉峰，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，博士生導(dǎo)師。主要從事高性能陶瓷材料、陶瓷基復(fù)合材料及新型超高溫隔熱材料的研究工作，現(xiàn)任建材行業(yè)高性能陶瓷及精細(xì)工藝重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、首席科學(xué)家，中國(guó)硅酸鹽協(xié)會(huì)特陶分會(huì)副秘書長(zhǎng)，科技部中小企業(yè)創(chuàng)新基金及國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)評(píng)審專家。共負(fù)責(zé)、參與承擔(dān)了國(guó)家級(jí)科研項(xiàng)目20余項(xiàng)，發(fā)表論文30余篇，申請(qǐng)專利10余項(xiàng)。2006年獲國(guó)防科工委協(xié)作配套先進(jìn)個(gè)人稱號(hào)，2007年獲軍隊(duì)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、多次獲得建材集團(tuán)科技進(jìn)步獎(jiǎng)。