光刻机需要半导体陶瓷吗

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道法自然

来自专栏半导体产业和投融资

本文来自中国粉体网

近几年，光刻机的确是个热词，不论业内业外，都对其非常关注，“有井水处即有光刻机”说的毫不夸张。据说有位半导体领域的专家去理发时，理发小哥也会滔滔不绝的和他交流光刻机。

而在材料领域，碳化硅的“火”有过之而无不及，其本身作为一种优良的陶瓷材料，性能与应用不断地被的开发，尤其是随着集成电路的快速发展，碳化硅作为第三代半导体材料更是一跃成为最受瞩目的材料之一。

光刻机和碳化硅之间又有什么神秘关系呢？

这还要从刚才讲到的集成电路说起。集成电路产业(即IC产业)是关乎国家经济、政治和国防安全的战略产业，在IC产业中，集成电路制造装备具有极其重要的战略地位。集成电路关键装备的发展除先进设计、精密控制技术外，关键零部件制备技术制约也是严重影响集成电路先进制造装备国产化进程的一大问题。

12英寸硅片用碳化硅真空吸盘

关键零部件具有举足轻重的作用，要求结构件材料具有高纯度、高致密度、高强度、高d性模量、高导热系数及低热膨胀系数等特点，且结构件要具有极高的尺寸精度和结构复杂性。例如在高端光刻机中，为实现高制程精度，需要广泛采用具有良好的功能复合性、结构稳定性、热稳定性、尺寸精度的陶瓷零部件，如E-chuck、Vacumm-chuck、Block、磁钢骨架水冷板、反射镜、导轨等。

碳化硅陶瓷正是光刻机用精密陶瓷部件的首选材料！

碳化硅陶瓷具有高的d性模量和比刚度，不易变形，并且具有较高的导热系数和低的热膨胀系数，热稳定性高，因此碳化硅陶瓷是一种优良的结构材料，目前已经广泛应用于航空、航天、石油化工、机械制造、核工业、微电子工业等领域。

但是，由于碳化硅是Si-C键很强的共价键化合物，具有极高的硬度和显著的脆性，精密加工难度大；此外，碳化硅熔点高，难以实现致密、近净尺寸烧结。因此，大尺寸、复杂异形中空结构的精密碳化硅结构件的制备难度较高，限制了碳化硅陶瓷在诸如集成电路这类的高端装备制造领域中的广泛应用。目前只有日本、美国等少数几个发达国家的少数企业(如日本的Kyocera、美国的CoorsTek等)成功地将碳化硅陶瓷材料应用于集成电路制造关键装备中，如光刻机用碳化硅工件台、导轨、反射镜、陶瓷吸盘、手臂等。

碳化硅工件台

光刻机中工件台主要负责完成曝光运动，要求实现高速、大行程、六自由度的纳米级超精密运动，如对于100nm分辨率、套刻精度为33nm和线宽为10nm的光刻机，其工件台定位精度要求达到10nm，掩模硅片同时步进和扫描速度分别达到150nm/s和120nm/s，掩模扫描速度接近500nm/s，并且要求工件台具有非常高的运动精度和平稳性。故需满足以下要求：

工件台及微动台(局部剖面)示意图

(1)高度轻量化：为降低运动惯量，减轻电机负载，提高运动效率、定位精度和稳定性，结构件普遍采用轻量化结构设计，其轻量化率为60%~80%，最高可达到90%；

(2)高形位精度：为实现高精度运动和定位，要求结构件具有极高的形位精度，平面度、平行度、垂直度要求小于1μm，形位精度要求小于5μm；

(3)高尺寸稳定性：为实现高精度运动和定位，要求结构件具有极高的尺寸稳定性，不易产生应变，且导热系数高、热膨胀系数低，不易产生大的尺寸变形；

(4)清洁无污染：要求结构件具有极低的摩擦系数，运动过程中动能损失小，且无磨削颗粒的污染。

碳化硅陶瓷方镜

光刻机等集成电路关键装备中的关键部件具有形状复杂、外形尺寸复杂以及中空轻量化结构等特点，制备此类碳化硅陶瓷零部件难度较大。目前国际主流集成电路装备制造商，如荷兰ASML，日本NIKON、CANON等公司大量采用微晶玻璃、堇青石等材料制备光刻机核心部件——方镜，而采用碳化硅陶瓷制备其他简单形状的高性能结构部件。中国建筑材料科学研究总院的专家们却采用专有制备技术，实现了大尺寸、复杂形状、高度轻量化、全封闭光刻机用碳化硅陶瓷方镜及其他结构功能光学零部件的制备。

碳化硅光罩薄膜

日前在韩国的一场半导体交流活动中，ASML韩国营销经理MyoungKuyLee透露，公司将开始供应透光率超90%的薄膜，以提升EUV光刻机的效率。ASML2016年首次开发出光罩薄膜，当时的透光率是78%。随后在2018年，薄膜透光率提升到80%，去年提升到85%。

薄膜用于保护光罩免受污染，单价2.6万美元左右（约合人民币16.78万元）。

另外，韩国企业FST、S&STech也都在紧张开发EUV光刻机所需的薄膜，FST此前预期上半年开始供应90%透光率的碳化硅薄膜。

碳化硅陶瓷精密结构部件制备工艺

中国建材总院在近净尺寸成型工艺——凝胶注模成型的基础上，开发出用于制备新型大尺寸、复杂形状、高精度碳化硅陶瓷部件的工艺技术。

碳化硅陶瓷部件制备工艺流程图

该制备流程中的关键工艺包括凝胶注模成型工艺、陶瓷素坯加工工艺和陶瓷素坯连接工艺。其中，凝胶注成型工艺是制备碳化硅陶瓷部件的基础，该工艺是一种精细的胶态成型工艺(Colloidalprocessing)，可实现大尺寸、复杂结构坯体的高强度、高均匀性、近净尺寸成型，自上世纪90年代以来在特种陶瓷材料制备领域获得了广泛的研究。陶瓷素坯加工工艺可以实现复杂形状陶瓷部件的快速、低成本、精密制造，有效提高陶瓷部件的尺寸精度及表面光洁度。陶瓷素坯连接工艺则可以实现中空陶瓷部件的制备，主要采用陶瓷粘结剂将陶瓷单体部件进行连接获得整体中空部件。

产业竞争格局

目前国外在集成电路核心装备用精密陶瓷结构件的研发和应用方面走在前列的公司有日本京瓷、美国CoorsTek、德国BERLINERGLAS等，其中，京瓷和CoorsTek公司占据了集成电路核心装备用高端精密陶瓷结构件市场份额的70%。

京瓷及CoorsTek制造的高端陶瓷零部件具有材料体系齐全、性能优异、结构复杂、加工精度高等特点，所制造的精密陶瓷结构件几乎涵盖了现有结构陶瓷材料体系，如氧化铝、碳化硅、氮化硅、氮化铝等；结构件的应用领域也几乎覆盖了全部集成电路核心装备，形成了一系列型号齐全、品种多样的精密陶瓷结构件产品，如美国CoorsTek公司能够提供光刻机专用组件、等离子刻蚀设备专用组件、PVD/CVD专用组件、离子注入设备专用组件、晶片吸附固定传输专用组件等一系列产品；京瓷能够提供光刻机、晶圆制造设备、刻蚀机、沉积设备（CVD、溅射）、LCD等装备用精密陶瓷结构件。我国在集成电路核心装备用精密陶瓷结构件的研发和应用方面起步较晚，在大尺寸、高精度、中空、闭孔、轻量化结构的结构陶瓷零部件的制备领域有诸多关键技术问题有待突破。

结束语

碳化硅陶瓷具有优良的常温力学性能(如高强度、高硬度、高d性模量等)、优异的高温稳定性(如高导热系数、低热膨胀系数等)以及良好的比刚度和光学加工性能，特别适合用于制备光刻机等集成电路装备用精密陶瓷结构件，如用于光刻机中的精密运动工件台、骨架、吸盘、水冷板以及精密测量反射镜、光栅等陶瓷结构件等。

燃气热水器又称燃气热水炉，它是指以燃气作为燃料，通过燃烧加热方式将热量传递到流经热交换器的冷水中以达到制备热水的目的的一种燃气即热式热水器。

按加热形式不同，即热式电热水器可分为下列几种：

1：裸露电热丝加热式电热水器。

2：电热膜加热式电热水器。

3：电热管加热式电热水器。

4：半导体陶瓷加热式电热水器

5：3D MAX集成极速加热系统智能恒温即热式电热水器。 流派 即热式电热水器的四大流派分别是“金属管”流派、“玻璃管”流派、“铸铝”流派和“半导体陶瓷”流派。

1.“金属管”流派

“金属管”流派是指即热式电热水器主要元件发热体的材料由金属构成的企业阵营。

市场上的主要材料有不锈钢、紫铜等，与不锈钢相比，紫铜具有延展性好，可以制作成无缝铜管，导热性能加强，也能有效防止漏水、漏电，但由于紫铜价格高于不锈钢，出于成本考虑，多数企业都采用不锈钢作为内胆和发热体。 　“金属管”流派的优点：技术来源于储水式热水器，将发热管直接浸泡于水中，热效率高，快速制热，配套成熟，是目前普遍采用的加热技术。“金属管”流派的弱点：金属发热体无法避免结垢问题，从而会带来漏电、漏水的隐患，维修率较高。

金属管派采用的新技术

即热式电热水器的新技术——管体分离结构设计，具有热效率高、加热均匀、耐压、耐高温、寿命长、噪音小等特点，大大提高了整体机的稳定性和耐用性，为热水器装备一颗“奔腾的芯”。 三级循环

多个档位控制，不同档位由不同的加热组负载工作，成倍延长加热管的使用寿命。 水旋式结构

水进入加热器后作水旋式高速旋转，使热交换更充分、更均匀，极大提高热效率。 “机器人”焊接

先进的机器人自动焊接技术，让焊接效率、质量、稳定性得到大幅提升。 激光焊接

采用激光焊接技术，不仅工艺美观而且大大提高了加热器在高温下防腐、防垢能力。 管体分离结构

采用管体分离结构设计，可拆可洗，更好的清理金属发热体——清理水垢，降低维修成本，解决了早期的无法避免结垢问题。 2.“玻璃管”流派

“玻璃管”流派是指即热式电热水器主要元件发热体的材料由非金属构成的企业阵营。

市场上主要的非金属发热体由水晶（石英）、玻璃、陶瓷三种材料制成，在非金属材料制成的非金属管外壁用高温烧结、常温涂抹或印刷等形式附着一层发热材料（电阻膜）。水晶作为电热水器发热体的材质无论从安全还是热传导来说都是最佳媒质，运用技术比较先进的是“QSC”非金属水晶发热体。 　“玻璃管”流派的优点：将电阻膜涂抹在玻璃管外壁，而水流通过玻璃管内壁，水电分离，在正常情况下安全性能好。 　“玻璃管”流派的弱点：导热性能差，在加热过程中会造成大量能量浪费，热效率低；采用外壁加热时，管壁外侧温度极高，内部有冷水通过，玻璃管内部收缩膨胀，产生很大的扭曲应力，容易导致玻璃管炸裂。即使不炸裂，也会大大缩短玻璃管的使用寿命；玻璃管硬度大，但韧性很小，承压能力有限，当自来水压力过高时，容易破裂。

3.“铸铝”流派

“铸铝”流派是指即热式电热水器主要元件发热体的材料由管状电热元件和金属铝一起压铸成型的企业阵营。

基于即热式电热水器传统的发热方式日益暴露的缺陷，市场上出现又一种铸铝加热技术——3D MAX集成极速加热系统，即三维成型、合金铝整体铸造。 是中山市汉功电器有限公司研发的高新技术产品并获国家专利证书。 铸铝的技术特性

将管状电热元件弯曲成型和不锈钢水路共同进入模具，用优质金属铝材料为外壳以压铸成平板型或圆柱型（主要用于即热龙头），它能和被加热体紧密贴合，是一种高效热分部均匀的加热器，热导性极佳的铝合金，确保热面温度均匀，消除了加热器的热点与冷点。 优点

水路与发热元件完全隔离，水在管路里流动的过程中逐渐升温，是一个低温循环流动的“活水”加热原理，避免了高温静水加热带来的水垢问题，理论上完全不产生水垢；具有长寿命、耐腐蚀等优点。 缺点

发热体偏重、工艺比较复杂、且成本较高，新技术的推广还需要时间。 4.“半导体陶瓷”流派

简介

半导体陶瓷是一种由是上海美兰电器于2008年研发并申请专利的智能性的电热材料，根据温度的不同会呈现出不同的电热特性，自动改变自身的功率。

优点 无干烧概念，彻底解决了干烧引发火灾的问题。由于材料自身会控制温度不超过260摄氏度，所以即使长时间通电干烧，也不会产生任何问题。 　半导体寿命超长，设计寿命在10万小时。即使在无水通电加热情况下，仍可连续加热5000小时而不损坏，相当于一台家用热水器连续工作20年的时间。 管式换热，水电永久隔离。水流管道与陶瓷完全分离，且水管为光洁度较高的金属管，不存在爆管、漏水等潜在风险。 低温加热，难结水垢，发热体最高260摄氏度，远远低于一般加热体600—1200度的温度，能适应全国各地不同水质。 智能材料，电压波动适应性强。半导体陶瓷可以随着温度的高低自动调节自身电阻特性，消除电压变化对功率的影响，解决了热水器冬天“电压低，水不热，”这一长久技术难题。高承压结构，耐水压16公斤以上，适应各种环境下的水压。 缺点 刚开始冷水启动时,到达适合水温用的时间会比较长. 制造成本高. 烟道式

排烟口大，烟管粗，抗倒风能力差．室外的空气流通过粗的烟管容易吹进热水器内引起意外熄火或倒燃烧损坏热水器，故不能安装在高楼层（只能安装在7层以下）由于是开放式燃烧室燃烧效率不高，能效等级为3级，现处于淘汰期。

强排式

它是在烟道机的基础上增加了一个强排风机，该风机的作用是把热水器外的空气吸入到燃烧室内帮助燃烧（燃烧效率高.能效等级为2级）同时把燃烧后的废气强制排出室外．由于热水器内风压高和排烟口较细.室外末端接有专用的防风烟管，故可以安装在高的电梯公寓.　 恒温式：在强排机的基础上又增加了两个主要部件.微电脑显示控制器和燃气比例阀．当水压.气压.外界温度发生变化时，微电脑控制燃气比例阀自动调节燃气的大小使水温恒定（恒温速度视燃气比例阀的精度.反应时间5-25秒）　如使用10升的恒温热水器中把水调小一半时，10升的容量变为5升左右，温度恒定赿快说明该热水器恒温效果越好．像平时洗手.洗碗不需要最大的水量冲洗，小水量.低水压恒温机可以正常的启动工作,水大水小出水温度都一样,一定程度上节约了水和燃气．这一点烟道机,强排机是无法做到的. 正是基于温度可以自行设定,温度恒定不变,低水压启动的特点恒温机是强排机的升级加强版,现为主流机型.

冷凝式

冷凝机的作用是高效节能（国家1级能效）．冷凝机在恒温机的基础上增加了一个冷凝热交换器．它的作用是把本该排出机外的高温废气回收到冷凝交换器里再一次吸收热量，同时把高温废气里的冷凝水分离出来保护热水器免受腐蚀，延长热水器使用寿命．

冷凝水的形成：空气里有水份，当100度-200度高温废气遇到只有10-20度的冷凝水箱时，高温烟气里的水份瞬间凝结成水滴，排出热水器．樱雪的螺旋V冷凝管呈倒金字塔型，可最大面积吸收热量，更顺畅的排出冷凝水．热效率达到103%，原来的烟道机用10方燃气现用6方．