稀土已成為半導體產業(yè)“命門”

文 | 半導體產業(yè)縱橫

稀土，指鑭、鈰、鐠、釹、钷、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥、鈧、釔等17種元素的總稱，即化學周期表中鑭系元素（La-Lu）與釔（Y）、鈧（Sc）的總稱。這類元素憑借“微量添加即可顯著優(yōu)化材料物理化學性能”的核心特性，在各產業(yè)中發(fā)揮“點石成金”的作用，因此被譽為“工業(yè)維生素”“工業(yè)味精”或“工業(yè)潤滑劑”。在技術密集型的半導體產業(yè)中，稀土更是支撐設備精密化、材料高性能化與工藝先進化的關鍵基礎材料，其應用貫穿半導體制造全鏈條。

稀土元素在半導體設備中的應用

光刻機的晶圓臺、掩模臺需實現納米級精度的高速運動，核心依賴無摩擦直線電機與磁懸浮系統(tǒng)，而這些系統(tǒng)的驅動力與強磁場均來自稀土永磁體，其中以釹鐵硼（NdFeB）永磁體為主。NdFeB永磁體主體由釹（Nd）、鐵、硼合金構成，為提升高溫穩(wěn)定性（避免退磁），需摻入鏑（Dy）、鋱（Tb）調節(jié)居里溫度。據報道，單臺EUV光刻機需搭載數十公斤NdFeB磁鋼，用于電機定子與轉子。釹是這種磁體的主成分，提供超高磁能積，而鏑和鋱作為輔料改善高溫穩(wěn)定性。稀土磁體的應用使得光刻機能夠實現每小時百片以上晶圓的掃描速度，同時保持亞納米定位精度。

除晶圓臺外，光刻機的對準系統(tǒng)、鏡頭調節(jié)機構、上下料機械手等組件，其無刷直流電機或音圈電機的核心部件同樣是稀土磁鋼。需注意的是，稀土在此環(huán)節(jié)的作用集中于設備級支撐，不直接進入晶圓制造，但缺少稀土磁體將導致當代光刻設備的精密運動功能完全失效。

此外，離子注入機、刻蝕機的運動平臺、渦輪分子泵電機等，也普遍采用NdFeB永磁體實現磁懸浮晶圓傳送、高速驅動，進一步體現稀土在設備運動控制中的通用性。

除了精密運動控制外，光源與光學組件也依賴稀土。

EUV、深紫外光刻的主光源不依賴固體稀土介質，但晶圓定位、對準、檢測用的輔助激光器，普遍采用釹摻雜釔鋁石榴石（Nd:YAG）晶體，其含有的Nd3?離子是高功率激光增益介質，可輸出1.064μm激光，經二倍頻后生成532nm可見光，或進一步轉化為355nm紫外光，滿足高精度檢測需求。

前沿研究中，稀土還為下一代EUV光源提供潛力：美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）開發(fā)的“大孔徑銩（Tm）激光器”，利用Tm3?離子產生～2μm激光，與當前行業(yè)標準二氧化碳（CO2）激光器相比可將EUV光源效率提高約10倍，為EUV光刻的成本降低提供可能。

EUV/DUV光刻機的激光系統(tǒng)需避免反射光損傷激光器，核心解決方案是光學隔離器，其核心材料為鋱鎵石榴石（Tb?Ga?O??，簡稱TGG）晶體。TGG中的鋱（Tb）元素具有強法拉第磁光效應，在強磁場中可旋轉光的偏振面，僅允許激光單向通過，是保障深紫外激光穩(wěn)定性的不可替代組件。

稀土材料在半導體材料、耗材和試劑中的應用

稀土在半導體材料中的應用，部分前沿方向仍處于研發(fā)階段，但已展現出關鍵價值。

盡管當前主流光刻膠未直接摻雜稀土元素，但在EUV（極紫外）光刻膠的前沿研究中，已有探索采用含金屬簇（如含鉿、鋯等高原子序數元素）的光刻膠體系，以提升對13.5nm波長光的吸收效率。針對這一領域，有學者提出，可將含稀土元素的化合物納入光刻膠成分設計，借助稀土的f電子構型增強光吸收性能和化學放大效應。不過上述探索目前均處于試驗階段，尚未有含稀土成分的光刻膠實現大規(guī)模量產。

此外，化學機械拋光（CMP）是晶圓平坦化的核心工藝，其研磨劑性能直接決定拋光效率與選擇性。在氧化硅（SiO?）、淺溝隔離（STI）層的拋光中，二氧化鈰（CeO?，俗稱“氧化鈰”）顆粒是主流選擇。在堿性環(huán)境下，CeO?表面的Ce3?/Ce??可變價態(tài)可與SiO?表面發(fā)生化學反應，生成易去除的鈰硅酸鹽，大幅提升材料去除速率；相比傳統(tǒng)二氧化硅、氧化鋁磨料“僅靠機械磨削”的方式，CeO?對SiO?的拋光選擇性更高，可高效去除氧化物層，且?guī)缀醪磺治g硅氮化物等周邊材料，因此成為STI CMP工藝的“標準研磨劑”。此外，銅/鎢金屬層的阻擋層拋光中，改性CeO?漿料也有應用。

高密度等離子刻蝕機在蝕刻SiO?等介質時，會使用含氟、氯的強腐蝕性等離子體，若腔體部件直接接觸，易被侵蝕并縮短壽命。解決方案是在刻蝕機關鍵部件（腔體內襯、射頻天線蓋片、束流環(huán)等）表面涂覆氧化釔（Y?O?）或氟化釔（YF?）陶瓷涂層：釔（Y）的氧化物化學穩(wěn)定性極高，在氟等離子環(huán)境中可生成致密的YF?保護層，避免進一步被侵蝕；相比普通石英、氧化鋁陶瓷涂層，Y?O?涂層可將部件使用壽命延長數倍，因此主流刻蝕設備廠商廣泛采用Y?O?涂層部件。雖單臺設備Y?O?用量僅以千克計，但全球刻蝕設備保有量巨大，形成對高純Y?O?材料的持續(xù)需求。

在5G射頻、磁性存儲等細分領域，稀土摻雜的濺射靶材是制備高性能薄膜的關鍵。比如，鋁鈧合金靶材可用于沉積鋁鈧氮（AlScN）薄膜，鈧（Sc）的摻雜可大幅提升氮化鋁（AlN）的壓電性能，而AlScN薄膜是5G射頻MEMS元件（如BAW濾波器）的核心材料；釹（Nd）、鐠（Pr）等靶材可用于濺射磁性存儲薄膜（如磁阻隨機存取存儲器MRAM的TbCoFe磁光層、SmCo基隧穿結），此外，鉺硅化物（ErSi?）靶材在紅外光電器件中也有應用潛力。

氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）基器件的傳統(tǒng)制備中，采用硅、藍寶石等異質襯底易因晶格常數差異、熱力學行為不協(xié)調產生大量缺陷，導致器件閾值電壓漂移、電流崩塌等可靠性問題。而六方晶系鋁酸鎂鈧（ScAlMgO?，簡稱SCAM或SAM）襯底可解決這一痛點，原因在于其晶格常數、熱膨脹系數與GaN、ZnO高度匹配，能顯著抑制外延生長中的缺陷形成，為制備高質量GaN外延薄膜提供新路徑，為制備高質量GaN外延薄膜提供了新途徑。

稀土元素在先進制程工藝中的應用

隨著電子技術向高性能、多功能、大容量、微型化方向發(fā)展，半導體芯片集成度越來越高，晶體管尺寸越來越小，傳統(tǒng)的二氧化硅（SiO?）柵介質薄膜就會存在漏電甚至絕緣失效的問題，目前采用鉿、鋯及稀土改性的稀有金屬氧化物薄膜解決核心漏電問題。如果進一步降低線寬，則需采用更高介電常數的稀土柵介質材料。

高k介質材料具有比傳統(tǒng)的SiO?更高的介電常數（k值）。

在實際應用中，行業(yè)以HfO?作為高k介質主體，并通過摻入稀土元素（如鑭、釔）進一步優(yōu)化性能。在高k/金屬柵（HKMG）工藝中，通過在HfO?表面沉積數埃厚的氧化鑭（La?O?），再經高溫退火使鑭擴散至介質/硅界面，可產生界面偶極效應，有效降低MOSFET晶體管的閾值電壓，滿足先進制程對低功耗、高開關速度的需求。

稀土摻雜半導體材料

稀土元素通過摻雜進入半導體材料，可利用稀土離子4f電子的特性制備半導體發(fā)光材料，同時利用稀土離子的化學活性提高半導體材料的純度、完整性，且其制備工藝與集成電路CMOS工藝兼容，為硅基光電集成提供可能。

稀土離子（如Eu3?）的4f電子具有豐富的能級躍遷，可產生窄帶寬、高色純度的特征發(fā)光，因此被用于制備半導體發(fā)光材料。以氧化銪（Eu?O?）薄膜為例，Eu?O?具有優(yōu)越的發(fā)光與催化性能，其4f能帶結構與ZnO、GaN等半導體的發(fā)光機理相似，可實現電致發(fā)光，且發(fā)光效率不受稀土離子濃度猝滅的限制；在硅片上外延生長Eu?O?薄膜，可解決GaN、ZnO與硅襯底工藝不兼容的問題，使硅基Eu?O?電致發(fā)光器件能與CMOS工藝無縫整合，為硅基光電集成的光源環(huán)節(jié)提供解決方案。

稀磁半導體

稀磁半導體（Diluted Magnetic Semiconductors，DMS）是通過在非磁性半導體中摻雜過渡金屬或稀土元素形成的新型材料，由于摻雜濃度較低，其磁性相對較弱，兼具電荷調控與自旋操縱特性，其分子式通常表示為A???M?B，在自旋電子學領域具有應用潛力。

主流摻雜元素包括過渡金屬銩（Tm）或稀土離子錸（Re），摻雜后材料可同時利用電子的電荷屬性與自旋屬性，在磁、磁光、磁電等方面表現出優(yōu)異性能，可用于制備自旋電子器件，如高密度存儲器、高靈敏度探測器、磁傳感器及光發(fā)射器。早期稀磁半導體的制備技術以分子束外延、金屬有機化學氣相沉積為主。

總結

稀土元素憑借其獨特的4f電子構型、高化學活性、優(yōu)異的磁光熱電性能，已深度融入半導體產業(yè)從“設備制造”（如光刻機運動控制）、“材料制備”（如CMP拋光劑、耐蝕涂層）到“先進工藝”（如高k介質優(yōu)化）的全鏈條。無論是支撐EUV光刻的“納米級精度”，還是推動5G射頻、自旋電子器件的“性能突破”，稀土均扮演著“不可替代的戰(zhàn)略材料”角色。

隨著半導體技術的迭代，稀土在前沿領域（如稀磁半導體、硅基光電集成）的應用潛力將進一步釋放，其研發(fā)與供應保障對半導體產業(yè)的發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義。