【原创【�/font>光刻机用到的陶瓷导轨，要闯几道难关？

中国粉体网讯作为半导体乃至整个工业制造的皇冠之一，光刻机设备决定了一个国家半导体先进制程的上限，某种程度上也决定了国产算力的爆发进程。由于人工智能�?G、自动驾驶汽车和数据中心对高性能、低功耗芯片的需求，光刻设备的使用不断增加与对先进节点半导体的需求增加有关，这些芯片需要昂贵且复杂的图案化能力，而这些功能可以通过光刻技术来实现、�/p>

在半导体制程中，光刻机负责将设计好的电路图从掩膜版转印到晶圆表面的光刻胶上，通过曝光、显影将目标图形印刻到特定材料上。芯片在生产中需要进�?0-30次的光刻，先进技术节点的芯片制造需�?0-90步光刻工艺，耗时占到IC生产环节�?0%左右，占芯片生产成本�?/3。因此，光刻机则成为了前道工序九大设备之首，在芯片生产线总投资的占比约为20%、�/p>

在高端光刻机中，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。其中，移动平台作为光刻机的核心系统，对光刻机的运行精度产生直接影响，这就需要有效抵抗移动平台在扫描过程中由于高速移动而产生的变形、�/p>

以光刻机中工件台为例，其主要功能是在光刻过程中承载晶圆，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�?0nm，掩�?硅片同时步进和扫描速度分别达到150nm/s�?20nm/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、�/p>

而导轨作为移动平台的的关键部件，选材很关键与制造很关键�?/strong>

氧化铝陶瓷成为导轨材料更优解

国内超精密加工和超精密测量设备（如半导体用高精度光刻机、光学器件用超精密机床、超精密三坐标测量仪）用的高精密导轨，大多以航空铝合金类金属材料以及花岗岩、大理石等天然石材为主的非金属材料制作、�/p>

这类金属材料在使用过程中，因其热膨胀系数高、弹性模量低等因素影响，达不到高端仪器设备超高精度加工测量控制要求。天然石材的主要问题是其力学强度、硬度、弹性模量性能偏低，含有微量气孔，影响整机构件精密度的控制。超精密加工、超精密测量导轨材料需要具有低密度、高强度、高硬度、高弹性模量、低热变形的基本特性、�/p>

而氧化铝陶瓷部件具有高硬度、高机械强度、超耐磨性、耐高温、电阻率大、电绝缘性能好、导热性能好等优异性能，是光刻机导轨用关键材料、�/p>

氧化铝陶瓷导轨，来源：九益精密陶瓶�/p>

应用于光刻机中的氧化铝陶瓷导轨具有以下几个特炸�/strong>９�/p>

�?（�strong>弹性模量高：氧化铝陶瓷的弹性模量高，这意味着在负载下变形极小。作为导轨，它能为整个运动系统提供一个极其稳固的基准，抵抗运动加速度带来的力变形，保证运动轨迹的直线度和平面度、�/p>

�?（�strong>结构轻量匕�/strong>：氧化铝陶瓷拥有更轻量化的结构，这意味着运动部件的质量更轻，惯性更小，这使得工件台可以实现更高的加速度和减速度，从而缩短步进和扫描的时间，直接提升光刻机的生产吞吐量、�/p>

�?（�strong>耐磨性极髗�/strong>：氧化铝陶瓷的高硬度使其极其耐磨，能长期保持精密的几何形状与光洁度，从而避免因磨损引起的精度下降，保障设备在全寿命周期内的稳定性、�/p>

�?（�strong>膨胀系数较小：光刻机运行时，电机和驱动器等部件发热会引起环境温度微小变化，材料受热膨胀会导致定位误差。氧化铝陶瓷的热膨胀系数较低，在温度波动下，陶瓷导轨的形变小，能为运动系统提供更稳定可靠的热机械基准、�/p>

�?（�strong>优异的物化稳定�?/strong>：氧化铝陶瓷具有优异的真空性能、耐腐蚀性和绝缘性，非常适用于半导体及光电设备中的绝缘结构件与真空腔体，能保障设备长期稳定运行、�/p>

一根陶瓷导轨制备的每道工序都不含糊

光刻机用氧化铝陶瓷导轨产品的市场大多被美� CoorsTek、日本Kyocera、韩国SKC 等企业占据，国内基本全部依赖进口�?nbsp;

为了打破光刻机用氧化铝陶瓷导轨的技术壁垒，山东硅元新型材料股份有限公司利用在先进结构陶瓷、精密陶瓷产品的开发方面积累的经验，首先在2014年组建项目组，研究可用作光刻机用陶瓷导轨99氧化铝系列陶瓷材料和碳化硅陶瓷材料，联合中国科学院上海硅酸盐研究所深入研究合作、生产出可替代国外同类产品的光刻机用氧化铝陶瓷导轨系列产品，有效解决我国精密陶瓷制造产业中存在的“卡脖子”部分关键问题。研发的氧化铝陶瓷导轨直线度误差控制� 0.002mm/m 以内，性能比肩国际顶尖产品、�/p>

原料是精准控制的关键

山东硅元杨元亮等人选用原晶尺寸形貌特征相近的商品化工业氧化铝，引入微量纳米烧结助剂，优化超细研磨、等静压成型和烧制工艺参数，研制性能优良�?95氧化铝陶瓷材料。该团队研制皃�strong>Sicer-312系列995氧化铝陶瓷材斘�/strong>主要批量应用于油田钻井用泥浆泵陶瓷缸套内衬、高压陶瓷柱塞、高压陶瓷球阀内衬、车速≥800 m·min^�?的中高速造纸机脱水元件、半导体陶瓷部件等系列产品、�/p>

该氧化铝陶瓷材料是国内首个满足于泥浆泵陶瓷缸套内衬使用条件的氧化铝陶瓷产品，实际应用量达数万件，填补了国内在此领域应用空發�/strong>。此外，鉴于其优良的高强度、高弹性模量性能＋�strong>目前也批量应用于半导体结构陶瓷器件和超精密加工超精密测量陶瓷导轨结构仵�/span>、�/p>

成型与烧结难度不導�/strong>

Sicer-312系列995氧化铝陶瓷产品要求其内部组成及微观结构要保持高度的均匀一致性，才能保证具备所需的高性能、�span style="color: rgb(192, 0, 0);">采用等静压成型工艺是首选的成型工艺技术条仵�/strong>。等静压成型是将陶瓷造粒粉料装入具有可压缩性质和均匀传递压力性质的橡胶模具中，将模具置于高压密封缸体中，利用缸体中液压介质来实现对模具中的粉体进行均匀加压。最后，等静压成型的近净尺寸陶瓷导轨坯体，需要经过常规的车削、切削、铣削、雕铣等机械加工工艺，才能得到符合设计结构形状和尺寸的陶瓷导轨坯体、�/p>

选用小原晶高活性氧化铝粉体制备的Al2O3含量�?9.5%氧化铝陶瓷，可以实现T�? 600℃条件下的致密烧结，氧化铝陶瓷晶粒尺寸也小，成为力学性能优良的微晶氧化铝结构陶瓷，其晶粒尺寸能够容易控制�?.0 μm~5.0 μm范围。这类高纯高活性氧化铝粉体虽具有低温致密烧结特性，但价格较高，更适用于精密电子、半导体等领域高端氧化铝结构陶瓷部件、�/p>

精密加工的要求高

995氧化铝陶瓷是强离子键材料，具有强度高、硬度高、弹性模量高、塑性变形能力差等特性，其可加工性能差。研究表明：采用机械高速磨削技术是995氧化铝陶瓷产品提高效率和磨削加工质量的必要工艺技�?/span>。通过提高金刚石砂轮线速度形成高速磨削工艺，可以有效提高陶瓷导轨制品磨削研磨的表面质量和效率、�/p>

对于平面�?95氧化铝陶瓷件，如造纸机陶瓷脱水陶瓷部件、半导体光刻机类晶圆耐磨盘、陶瓷导轨等系列产品，目前多采用数控导轨磨床、数控平面磨床、数控圆台磨床、三轴数控加工中心、高速数控精密雕铣机床等智能设备磨削加工。采用陶瓷结合剂的金刚石碗型砂轮、杯型砂轮、平面砂轮、金刚石磨杆、磨棒等金刚石工具，磨削线速度一般大�?5 m·s^�?、�/p>

据了觢�span style="color: rgb(192, 0, 0);">山东硅元在国内率先成功研制了Sicer-312系列995氧化铝陶瓷导轨产品，满足了国内超精密加工及超精密测量用陶瓷导轨迫切需汁�/strong>。相关产品已在超高精度三坐标、光刻机类半导体精密陶瓷部件得到成熟验证。其针对陶瓷导轨结构尺寸大、结构形状复杂等问题，研究并解决了陶瓷导轨坯体近净尺寸等静压成型、陶瓷坯体的低应力加工、陶瓷导轨的近净尺寸高温烧制技术。攻克了大尺寸三维异形复杂陶瓷导轨的高效精密磨削精研加工和高精密测量表征技术、�/p>

来源９�/p>

杨东亮等：高性能995-Al2O3陶瓷材料组成及微观结构特性的研究及工程化应用

刘海林等：光刻机用精密碳化硅陶瓷部件制备技�?/p>

九益精密陶瓷：氧化铝陶瓷高端精密制造领域中不可或缺的关键材斘�/p>

（中国粉体网编辑整理/空青（�/p>

注：图片非商业用途，存在侵权告知删除