在IC产业中，集成电路制造装备具有极其重要的战略地位，以光刻机为代表的集成电路关键装备是现代技术高度集成的产物，其设计和制造过程均能体现出包括材料科学与工程、机械加工等在内的诸多相关科学领域的最高水平。集成电路制造关键装备要求零部件材料具有轻质高强、高导热系数和低热膨胀系数等特点，且致密均匀无缺陷，还要求零部件具有极高的尺寸精度和尺寸稳定性，以保证设备实现超精密运动和控制，因此对材料性能以及制造水平要求非常苛刻。

高尖端设备——光刻机

碳化硅陶瓷具有高的弹性模量和比刚度，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，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（如日本京瓷、美国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。

碳化硅真空吸盘

集成电路制造装备用精密陶瓷结构件的特点

集成电路制造关键技术及装备主要有包括光刻技术及光刻装备、薄膜生长技术及装备、化学机械抛光技术及装备、高密度后封装技术及装备等，均涉及高效率、高精度、高稳定性的运动控制技术和驱动技术，对结构件的精度和结构材料的性能提出了极高的要求。

以光刻机中工件台为例，该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100 nm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10 nm，掩模硅片同时步进和扫描速度分别达到150 nm/s和120 nm/s，掩模扫描速度接近500 nm/s，并且要求工件台具有非常高的运动精度和平稳性。

总结下来，就是需要满足以下条件：高度轻量化、高形位精度、高尺寸稳定性、清洁无污染，通常该类结构件具有“大、厚、空、薄、轻、精”的特点。

光刻机工作台

碳化硅陶瓷精密结构部件制备工艺

目前在制备光刻机等集成电路关键装备用碳化硅陶瓷精密结构件时，还存在着诸多的技术难点和挑战，比如如何实现中空、闭孔结构，以达到高度轻量化、高模态的目标；如何获得显微结构均匀、性能稳定的材料；如何实现大尺寸、复杂形状结构的陶瓷部件的快速制备等。

在陶瓷的近净成型技术的应用上，国内外都进行了大量的研究。

大尺寸复杂形状碳化硅陶瓷素坯的凝胶注模成型工艺

当前，中国建材总院在相关碳化硅陶瓷精密部件的研究上走在国内前列，涉及到均质、高强碳化硅陶瓷素坯的制备，碳化硅陶瓷素坯的加工，碳化硅陶瓷连接工艺，以及CVD碳化硅光学膜层制备工艺等，以下将详细介绍。

1.碳化硅陶瓷凝胶注模成型工艺

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 (Colloidal processing)，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，陶瓷料浆制备是凝胶注模成型工艺中的关键环节之一。

就碳化硅在光刻机构件中的应用而言，分散良好、高稳定性水基碳/碳化硅料浆的制备是获得优质、均匀结构碳/碳化硅坯体的前提。此外，料浆具有高的固相体积分数则可以有效减小陶瓷坯体干燥时的收缩，有利于实现陶瓷部件的近净尺

寸成型。相应地，陶瓷料浆的制备需要解决两大难题：一是碳和碳化硅两种陶瓷粉料在相同条件下的均匀分散，二是尽可能提高料浆的固相含量。

碳化硅陶瓷部件制备工艺流程图

制浆完成后，凝胶注模成型工艺通常采用丙烯酰胺(AM)和N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBAM)等作为有机单体，以过硫酸盐作为引发剂，通过单体自由基聚合实现对陶瓷悬浮体的原位固化成型。但对于含碳陶瓷料浆，常规方式的聚合诱导期很短，实现凝胶注模成型则相对困难，需加入在碳基体系料浆里能够延缓单体聚合的添加剂，使陶瓷料浆有充足的时间充满复杂模具，实现复杂形状制品的制备。

2.高精度碳化硅陶瓷制品无模成型工艺

虽然采用凝胶注模成型工艺可以实现复杂形状陶瓷制品的近净尺寸制备，但该工艺对模具要求高，在制备复杂大尺寸部件时需设计和制造模具，增加了时间成本和模具成本，一定程度上制约了该工艺在陶瓷结构件批量化生产中的应用。另一方面，对一些尺寸精度要求高的陶瓷部件，凝胶注模成型工艺则无法满足其尺寸精度要求。

与传统“自下而上”的无模成型工艺不同，陶瓷素坯加工工艺(Green ceramic machining,GCM)是一种“自上而下”的工艺，其原理类似金属材料或木材的加工过程如车、铣、刨、磨等，利用数控加工技术对陶瓷块状素坯进行三维加工，直接得到所需的结构，可以实现陶瓷制品的快速制造，特别适用于结构陶瓷多品种、小批量生产。

数控加工

采用凝胶注模成型工艺制备的陶瓷素坯中，陶瓷颗粒靠三维凝胶网络结合，颗粒之间结合力小，在加工过程中陶瓷颗粒或颗粒团聚体在刀具的作用下很容易剥落去除。材料去除以脆性剥落为主，不同于金属材料加工的塑性去除方式，而颗粒的脆性断裂以及晶界微破碎去除形式也基本不存在。采用金刚石刀具，通过数控机床对陶瓷素坯进行高效、高精度加工，可以实现复杂形状的碳化硅陶瓷制品的制备。采用该工艺制备的碳化硅陶瓷制品尺寸精度高、表面光洁度高。

3.碳化硅陶瓷反应连接技术

全封闭、中空部件的制备一般采用连接工艺获得，目前常用的陶瓷连接方法主要有钎焊、扩散焊等，但这些方法均存在工艺复杂、焊接料性能同碳化硅基体差别大等缺点，难以满足光刻机等集成电路制造装备对复杂结构部件的使用要求。

根据反应烧结碳化硅的工艺特点，将待粘接零部件进行预处理，并通过粘接料对制品进行粘接，随后再进行反应烧结，使制品的连接与反应烧结同步完成。通过调节粘接料的组分、控制连接工艺，可实现复杂结构部件的致密、高强度、无缝隙粘接。

反应烧结体粘接层的显微结构

4.大面积碳化硅陶瓷膜层化学气相沉积（CVD）技术

光刻机等集成电路关键制造装备中某些高性能光学元件对材料制备有着苛刻的要求，不仅要求材料具有高的稳定性，还需满足某些特定的光学性能要求。反应烧结碳化硅经抛光后其面型精度高，但是该材料是由碳化硅和游离硅组成的两相材料，在研磨抛光等过程各相的去除速率不一致，无法达到更高的面型精度，因此无法满足特定光学部件性能要求。

采用反应烧结碳化硅基体结合化学气相沉积碳化硅(CVD SiC)膜层的方法制备高性能反射镜，通过优化先驱体种类、沉积温度、沉积压力、反应气体配比、气体流场、温度场等关键工艺参数，可实现大面积、均匀CVD SiC膜层的制备，使反射镜镜面精度可接近国外同类产品性能指标。

光刻机用碳化硅光学反射镜

总结

我国集成电路关键装备用精密陶瓷结构件的自主研究和国产化应用推广才刚刚起步，随着我国半导体工业的蓬勃发展，市场对该类高端陶瓷结构件的需求会越来越大，碳化硅以其优异的物理化学性能，在集成电路关键装备用结构件领域具有广阔的应用前景，目前仍然存在碳化硅结构件材料品种单一、大尺寸复杂结构制品成品率低、市场化应用推广慢等问题，还需要进一步研究和推广。

参考来源：

1. 光刻机用精密碳化硅陶瓷部件制备技术，刘海林、霍艳丽、胡传奇、黄小婷、王春朋、梁海龙、唐婕、陈玉峰（现代技术陶瓷）；

2. 先进陶瓷材料研究现状及发展趋势，张伟儒、李伶、王坤（新材料产业）；

3. 碳化硅陶瓷研究，刘海林（中国建材）。

粉体圈 小吉

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