No âmbito de indústrias estratégicas que impactam as economias nacionais, a política e a segurança da defesa, o setor de semicondutores se destaca como um ator fundamental. Dentro deste domínio, equipamentos de ponta, sintetizados por máquinas de fotolitografia, representam o epítome de uma tecnologia moderna e altamente integrada. Abrangendo disciplinas como óptica, ciência dos materiais e ciência da computação, os processos de design e fabricação mostram o auge da proeza científica e tecnológica. Notavelmente, essas máquinas impõem exigências exigentes em componentes de precisão, com cerâmicas avançadas emergindo como um formidável material de terceira geração, desempenhando um papel crucial.
No âmbito das máquinas de fotolitografia de ponta, a demanda por tecnologias de controle de movimento e acionamento altamente eficientes, precisas e estáveis estabelece padrões extremamente altos para precisão de componentes e desempenho de materiais.
As cerâmicas de carboneto de silício, com um módulo elástico excepcionalmente alto, condutividade térmica e baixo coeficiente de expansão térmica, mitigam problemas como deformação por tensão de flexão e deformação térmica. Além disso, sua excelente polibilidade permite o processamento mecânico para alcançar espelhos ideais. Assim, o aproveitamento da cerâmica de carboneto de silício como material para componentes estruturais de precisão em equipamentos semicondutores críticos, como máquinas de fotolitografia, mostra-se altamente vantajoso. Os componentes que exigem cerâmica de carboneto de silício em equipamentos de fabricação de semicondutores abrangem mesas de trabalho, trilhos de guia, espelhos refletivos, braços, blocos, estruturas de aço magnético, ventosas, placas resfriadas a água e placas flutuantes a ar.
Estes componentes apresentam características estruturais distintas:
Grandes dimensões e espessuras
Estruturas ocas de furo fechado
Estruturas de paredes finas e placas finas
Alto grau de construção leve
Elevada precisão posicional
Excelente desempenho óptico
Essas características apresentam desafios significativos de fabricação para componentes cerâmicos de carboneto de silício, restringindo sua ampla aplicação no setor de fabricação de equipamentos de ponta. Atualmente, apenas alguns países desenvolvidos, incluindo Japão e Estados Unidos, representados por empresas como Kyocera e CoorsTek, integraram com sucesso materiais cerâmicos de carboneto de silício em equipamentos semicondutores críticos.
O projeto do sistema de materiais para as plataformas de máquinas de fotolitografia é fundamental para alcançar alta precisão e velocidade. A superação da deformação durante a varredura de alta velocidade requer materiais com uma alta relação rigidez/peso — materiais de baixa expansão térmica que se encaixam nesse critério.
Tradicionalmente, a empresa alemã Schott' O vidro microcristalino (Zerodur), o vidro de quartzo e o vidro ULE foram empregados nos primeiros equipamentos de fotolitografia. Zerodur, em particular, possui um coeficiente de expansão térmica próximo de zero em uma ampla faixa de temperatura, oferecendo alguma resistência e dureza. No entanto, seu baixo módulo elástico requer maior espessura para manter a rigidez necessária, dificultando o design leve e ficando aquém de atender às demandas de plataformas de máquinas de fotolitografia de alta velocidade e alta precisão. Além disso, o Zerodur é propenso ao desgaste durante a corrosão do feixe de íons EUV, levando a um declínio na precisão.
Com a crescente demanda por máquinas avançadas de fotolitografia, empresas como ASML, NIKON e CANON começaram a pesquisar novos sistemas de materiais para materiais estruturais de plataforma. A jadeíta, comumente utilizada em ambientes de alta temperatura, ganhou destaque devido à sua baixa expansão térmica, baixa densidade e alto módulo elástico.
Jadeite possui um coeficiente de expansão térmica comparável ao Zerodur, garantindo estabilidade térmica. Além disso, sua condutividade térmica é quase três vezes maior que a do Zerodur, permitindo uma dissipação de calor mais eficaz durante o uso, atendendo aos requisitos de estabilidade térmica. Com um alto módulo elástico, o Jadeite resiste efetivamente à deformação durante a varredura de plataforma de alta velocidade, aumentando a estabilidade. Optar pelo Jadeite como material de substrato da plataforma, com base nas condições de rigidez, reduz significativamente a massa necessária em comparação com o vidro microcristalino e o vidro de quartzo, atendendo à necessidade de design leve. Assim, pesquisadores em todo o mundo estão reconhecendo a Jadeite como um material promissor para a próxima geração de plataformas de máquinas de fotolitografia semicondutora.
A ASML tem estado na vanguarda da aplicação da cerâmica Jadeite na pesquisa e desenvolvimento de materiais de plataforma de máquinas de fotolitografia, refinando e atualizando continuamente a estrutura. Várias patentes divulgadas publicamente pela ASML destacam a aplicação e a pesquisa da cerâmica Jadeite em materiais de plataforma de máquinas de fotolitografia de alta qualidade. Hoje, a ASML amadureceu e propagou com sucesso o uso da cerâmica Jadeite em componentes de plataformas de máquinas de fotolitografia.
Além das aplicações de plataforma, a cerâmica Jadeite encontra utilidade em outros componentes, como espelhos refletivos e placas de máscara. Os principais fabricantes internacionais de equipamentos de circuito integrado, incluindo ASML, NIKON, CANON e ZYGO nos Estados Unidos, utilizam extensivamente materiais como vidro microcristalino e Jadeite na preparação de espelhos refletivos de máquinas de fotolitografia. Em 2015, a Zygo divulgou publicamente um material de máscara de fotolitografia composto principalmente de cerâmica de Jadeíta, apresentando uma camada de substrato de Jadeíta finamente polida, uma camada reflexiva, uma camada de cobertura intermediária e uma camada de amortecimento absorvente. O substrato cerâmico Jadeíte' O módulo de elasticidade varia de 120 a 150 GPa, com densidade volumétrica de 2,5 a 2,7 g/cm³, coeficiente de expansão térmica de 0,2×10⁻⁶/°C e condutividade térmica de 3 a 5 W/(m·K), todos com espessura inferior a 0,635 cm.
Sendo um dos dispositivos mais intrincados já criados pela humanidade, as máquinas de fotolitografia exigem o controle de aberrações de onda em lentes de projeção até o nível sub-nanométrico, aproximando-se da "aberração zero". Simultaneamente, a mesa de trabalho e a tabela de máscara exigem aceleração excepcionalmente alta e precisão de sincronização em nível nano. Além disso, durante a exposição em alta velocidade, o wafer de silício' A superfície S deve permanecer consistentemente dentro de uma faixa de profundidade de foco de aproximadamente 100 nm da lente de projeção. À medida que os processos de semicondutores se aproximam do limite físico de 5nm, a complexidade de projeto e a precisão de processamento de máquinas de fotolitografia experimentam um aumento exponencial, colocando desafios significativos no posicionamento em nível nano, precisão de processamento subnanométrico e controle ambiental preciso.
Ao longo da fabricação e aplicação de máquinas de fotolitografia, vários aspectos, incluindo o ajuste fino em nanoescala das lentes de projeção, o posicionamento preciso durante a exposição e a redução ativa de vibrações, podem empregar tecnologia de condução piezoelétrica para garantir a qualidade da imagem, resolução e estabilidade. Notavelmente, materiais cerâmicos piezoelétricos, com características como interferência não magnética, alta resolução de posicionamento e geração mínima de calor, encontram uso extensivo nos atuadores de posicionamento de espelhos de compensação de aberração em lentes de projeção de máquinas de fotolitografia. Atuadores piezoelétricos multicamadas comercialmente disponíveis frequentemente empregam chumbo de titanato de zircônio (PZT) como material piezelétrico de base, seja em uma solução sólida ou com modificações de dopagem.
O desenvolvimento de máquinas de fotolitografia é um empreendimento de engenharia de sistemas profundamente intrincado, abrangendo tecnologias de ponta de diversos campos, como óptica, usinagem de precisão, sistemas de controle e materiais de ponta. Muitas dessas tecnologias estão se aproximando rapidamente dos limites da engenharia. Para alcançar alta precisão de processo, cerâmicas avançadas, como materiais componentes críticos, encontram extensas aplicações em equipamentos semicondutores, particularmente aqueles representados por máquinas de fotolitografia.
Como um componente vital do equipamento de produção de semicondutores, a pesquisa e a produção de materiais cerâmicos avançados influenciam diretamente o desenvolvimento da indústria de fabricação de equipamentos semicondutores e toda a cadeia da indústria de semicondutores. Apesar da China' Com a entrada relativamente tardia em equipamentos semicondutores, vários desafios tecnológicos críticos na preparação de componentes cerâmicos precisam ser superados. Portanto, considerando as perspectivas de segurança econômica e custos da indústria, o desenvolvimento de materiais-chave para equipamentos de produção de semicondutores, como componentes cerâmicos avançados, é imperativo para superar os gargalos enfrentados pela indústria de semicondutores na China.
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Sanxin Novos Materiais Co., Ltd. foco na produção e venda de grânulos cerâmicos e peças como meios de moagem, contas de jateamento, esfera de rolamento, peça de estrutura, forros cerâmicos resistentes ao desgaste, nanopartículas nano pó
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