半導體產業是關乎國家經濟、政治和國防安全的戰略產業，在半導體產業中，以光刻機為代表的核心裝備是現代技術高度集成的產物，涉及光學、材料學、計算機科學等諸多學科，其設計和制造過程均能體現出相關科學技術領域的最高水平，該設備對精密結構件也提出了極高的要求，而先進陶瓷在其中充當著極其重要的角色。

而在一臺光刻機的制造中，光刻機移動平臺的材料體系設計是光刻機獲得高精度、高速度的關鍵。為了有效抵抗移動平臺在掃描過程中由于高速移動而產生的變形，平臺材料應包括具有較高比剛度的低熱膨脹材料，即此類材料具備高模量的同時滿足低密度的需求。另外，材料還需要較高的比剛度，這能夠使整個平臺在承受更高加速度和速度的同時保持相同的失真水平。通過在不增加失真的情況下以更高的速度轉換掩模，增加吞吐量，在保證高精度的同時提高工作效率。

光刻機結構示意圖

光刻機移動平臺材料的發展

早期的光刻設備選用的是德國肖特公司的微晶玻璃(Zerodur)、石英玻璃以及ULE 玻璃（康寧低膨脹玻璃）等材料，其中Zerodur的應用最多。這種玻璃陶瓷材料的熱膨脹系數在大范圍的工作溫度下基本為零，具備一定的強度和硬度，但在實際應用過程中其彈性模量較低，在維持所需剛度的同時需要增加厚度，即無法實現輕量化，逐漸難以滿足光刻機移動平臺的高速及高精度的需求。

此外，在將Zerodur應用于超高端EUV光刻設備的研發過程中，作為EUV光刻機的鏡面襯底材料，Zerodur需要具備極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），盡管微晶玻璃可以實現0.1 nm的均方根粗糙度，但微晶玻璃在EUV離子束蝕刻過程中很容易發生磨損，從而導致精度下降，因此尋求新的合適的材料體系滿足高端光刻機的使用需求成為研究人員繼續解決的新難題。

肖特公司Zerodur低熱膨脹微晶玻璃

隨著人們對高端、超高端光刻機日益增加的需求，國外ASML、NIKON和CANON 等公司相繼開始研發新的材料體系作為光刻機的平臺結構材料，均具備較低的熱膨脹系數，其中堇青石是高溫領域最常用的低熱膨脹陶瓷，由于密度低、彈性模量高而備受關注。

光刻機移動平臺用低熱膨脹材料性能對比

由上表可知，堇青石材料的彈性模量遠遠超過了Zerodur（約增加了55%），而密度只是略高于Zerodur。同時堇青石材料的低熱膨脹系數與Zerodur相當，同樣具備良好的熱穩定性，此外，堇青石的導熱系數幾乎是Zerodur的三倍，這決定了材料在使用過程中能夠更大程度地散熱，從而更好地滿足熱穩定性需求。堇青石具備高的彈性模量，可以有效抵制平臺高速移動掃描過程中的變形，增加穩定性。在滿足剛度條件的基礎上，選擇堇青石材料作為平臺基板材料，所需的質量遠遠小于微晶玻璃和石英玻璃材料作為平臺結構材料，從而實現輕量化需求。

因此，研究者逐漸發現，堇青石作為一種新型的半導體光刻機平臺材料具有良好的應用前景，尤其是在作為EUV光刻機移動平臺材料時，不會因EUV射線的影響而發生變形，綜合性能優于原來采用的微晶玻璃，從而備受各國研發公司的青睞。

堇青石光刻機移動平臺的發展現狀

在20世紀80年代，國外已能夠制備出性能優良的堇青石陶瓷并投入生產，其中以美國、德國和日本的產品質量最優，且日本的京瓷、日立等公司的系列產品均已被應用于光刻機工作平臺部件中。

日本京瓷公司堇青石產品性能

關于堇青石陶瓷的性能特點、制備工藝以及性能調控手段可閱讀以下文章。

擴展閱讀：堇青石陶瓷有哪些應用潛力？

由于堇青石材料高的比剛度、與微晶玻璃相近的低熱膨脹特性，ASML公司很早便開始了其在光刻機平臺材料的應用研發，使得光刻機移動平臺結構材料不斷更新完善。綜合ASML公司的研發情況，堇青石自身良好的比剛性以及高的熱導率，可以有效抵抗光刻機的高速移動引發的變形，但堇青石本身的脆性導致其在拋光時會產生裂紋、孔洞等缺陷，影響其正常使用，因此可以采用增加覆蓋層（增加一層微晶玻璃）或通過第二相增韌技術來提高其斷裂韌性，減少后期加工時的缺陷。

某型號的光刻機某部件平臺結構設計

下表是部分國外公司公開的堇青石陶瓷用于光刻機移動平臺等關鍵部件的性能調控手段。

與國外相比，國內對堇青石材料的研究起步較晚，目前仍處于小規模或試制研發階段，生產的堇青石材料無論在力學性能還是熱穩定性上均和國外有較大的差距。為了解決我國高端半導體裝備依賴進口的困局，國家組織了科技重大專項“極大規模集成電路制造裝備及成套工藝”（簡稱02專項），但我國目前還沒有針對低膨脹陶瓷在半導體裝備上的應用方面的專題研究，所需的陶瓷材料及部件依然無法擺脫依賴進口的局面。

與國外先進光刻機生產商相比，我國的光刻技術仍然面臨較多的問題：

（1）光刻機平臺材料研發不足，低膨脹陶瓷在半導體裝備應用方面的研發投入較少。我國雖然開展了02專項系列研發工作，但是目前并沒有開展低熱膨脹陶瓷在半導體裝備上的研發工作，光刻機平臺材料的制備技術不成熟，嚴重影響了國內光刻技術的發展；

（2）堇青石材料的制備性能偏低，熱穩定性差，關于熱膨脹系數可調節方面的研究較少，且仍處于實驗室研發階段，無法滿足陶瓷制備生產的工藝穩定性要求。

參考來源：

堇青石材料在光刻機領域的應用進展，張叢、尹飛、郭建斌、劉發付、郭在在、韓晗（材料導報）。

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