無稀土，不芯片

在高度信息化的今天，芯片已經(jīng)成為不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施。從智能手機、個人電腦到服務(wù)器、超級計算機，乃至人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、自動駕駛等前沿科技，都離不開高性能、高可靠性的芯片。芯片的性能直接決定了電子設(shè)備的運行速度、功耗以及智能化水平。

芯片制造是一項極其復(fù)雜和精密的工程，涉及材料科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、電子工程等多個學(xué)科。其制造過程需要數(shù)百道工序，每一道工序都對材料和設(shè)備的性能提出了極高的要求。近年來，隨著摩爾定律逼近物理極限，芯片制造面臨著越來越多的挑戰(zhàn)。為了突破這些瓶頸，研究人員不斷探索新的材料和工藝，其中，稀土元素因其獨特的光學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)，在芯片制造中扮演著日益重要的角色。

01

稀土元素在光刻技術(shù)中的應(yīng)用

光刻是芯片制造中最核心的工藝之一，其分辨率直接決定了芯片的集成度。光刻技術(shù)通過將設(shè)計好的電路圖案轉(zhuǎn)移到晶圓表面，從而定義出芯片上的各種微觀結(jié)構(gòu)。據(jù)中國稀土學(xué)會的專家們介紹，稀土元素在光刻機和光刻膠中均有重要應(yīng)用，對提升光刻分辨率和圖案質(zhì)量起著關(guān)鍵作用。

光刻機

光刻機的鏡頭系統(tǒng)需要使用高折射率的光學(xué)玻璃，以提高分辨率和成像質(zhì)量。隨著光刻技術(shù)向更短波長方向發(fā)展（例如極紫外光刻EUV），對光學(xué)材料的性能要求也越來越高。通過在玻璃中摻雜不同的稀土元素，可以調(diào)節(jié)其光學(xué)性質(zhì)，以滿足光刻機鏡頭的性能要求。常見的稀土光學(xué)玻璃種類包括：

含鑭（La）光學(xué)玻璃：鑭是提高玻璃折射率最有效的元素之一。在玻璃中摻雜鑭，可以顯著提高其折射率和阿貝數(shù)，同時保持良好的透過率。含鑭光學(xué)玻璃廣泛應(yīng)用于DUV光刻機鏡頭中，例如，佳能、尼康等公司的DUV光刻機鏡頭中就使用了大量的含鑭光學(xué)玻璃。

佳能半導(dǎo)體光刻設(shè)備內(nèi)置圖像

含釔（Y）光學(xué)玻璃：釔與鑭類似，也可以提高玻璃的折射率，同時具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。含釔光學(xué)玻璃常與含鑭光學(xué)玻璃配合使用，以進一步優(yōu)化透鏡的光學(xué)性能。

含釓（Gd）光學(xué)玻璃：釓可以提高玻璃的折射率，并改善其色散特性。含釓光學(xué)玻璃常用于制造高精度光刻機鏡頭。

DUV光刻機鏡頭通常使用多種稀土光學(xué)玻璃組合，以實現(xiàn)高折射率、高透過率和低色散。例如，某些DUV光刻機鏡頭使用了8種不同的光學(xué)玻璃，其中大部分都含有稀土元素。

EUV光刻機鏡頭對光學(xué)材料的性能要求更高。由于EUV光波長極短，傳統(tǒng)的光學(xué)玻璃無法滿足其透過率要求。目前，EUV光刻機鏡頭主要采用反射式光學(xué)系統(tǒng)，使用多層膜反射鏡，而不是透射式透鏡。但是為了提高反射鏡的性能，仍然需要在基底材料中摻雜稀土元素，以提高其熱穩(wěn)定性和抗輻射能力。

光刻膠

光刻膠是光刻工藝中用于轉(zhuǎn)移圖案的關(guān)鍵材料。它是一種對光敏感的聚合物，在光照后其溶解度會發(fā)生改變，從而實現(xiàn)圖案的轉(zhuǎn)移。稀土元素在光刻膠中通常以化合物的形式存在，例如氧化物、氟化物、有機配合物等。它們在光刻膠中的應(yīng)用主要基于以下幾個方面：

增強抗蝕刻能力：在芯片制造中，光刻膠需要承受嚴酷的等離子刻蝕環(huán)境，添加稀土化合物（如Ce的氧化物或氟化物）可以增強光刻膠的耐受性，減少圖案的變形和損壞，從而提高刻蝕精度和芯片良率。

提高光敏性：某些稀土元素（如Eu）的有機配合物可以作為光敏劑，提高光刻膠對特定波長光的敏感性。通過選擇合適的光敏劑，可以使光刻膠在特定波長下具有更高的光吸收效率，從而提高光刻的分辨率和靈敏度。

調(diào)整光刻膠的光學(xué)性質(zhì)：稀土元素具有獨特的光學(xué)性質(zhì)，可以通過在光刻膠中摻雜不同的稀土化合物來調(diào)整光刻膠的折射率、吸收系數(shù)等光學(xué)參數(shù)。這有助于優(yōu)化光刻過程中的光場分布，提高光刻的成像質(zhì)量。

02

稀土元素在晶圓拋光中的應(yīng)用

化學(xué)機械拋光（CMP）是芯片制造中用于實現(xiàn)晶圓表面平坦化的關(guān)鍵工藝。拋光過程中，首先是被拋工件表面與拋光液中的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成一層相對容易去除的軟質(zhì)層；然后在拋光液中磨料和拋光墊的機械作用下去除軟質(zhì)層，使工件表面重新裸露出來，然后再進行化學(xué)反應(yīng)，這樣在化學(xué)作用和機械作用的交替中完成工件表面拋光，進而達到工件表面平坦化的目的。

CMP拋光液是由研磨顆粒、表面活性劑、氧化劑、pH調(diào)節(jié)劑和去離子水等均勻混合制成，其技術(shù)難點在于需要根據(jù)不同拋光對象和拋光環(huán)境來調(diào)整液體的配方組合。

拋光液磨料以無機氧化物納米顆粒為主，包括氧化鈰(CeO2)、氧化硅(SiO2)、氧化鋁(Al2O3)、氧化錳(MnO2)、氧化鋯(ZrO2)和金剛石等，可以進行機械摩擦、吸附并去除腐蝕產(chǎn)物。

伴隨半導(dǎo)體器件小型化和精密化發(fā)展，需要更嚴格的CMP拋光性能，例如同時具有高去除率和低劃痕缺陷的高選擇性，以及自停止功能拋光液。CeO2具備良好的晶體結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的摩擦化學(xué)活性，對SiO2有強的親和力，可實現(xiàn)氧化硅的高效去除。

此外CeO2也是一種半導(dǎo)體光催化劑，存在可變價態(tài)(Ce4+和Ce3+)和豐富氧空位，結(jié)合了摩擦化學(xué)能力和光化學(xué)氧化活性，可應(yīng)用于光催化輔助的拋光。鑒于此，CeO2成為了層間介質(zhì)SiO2等氧化物的首選拋光磨料，受到廣泛關(guān)注和研究。

對于半導(dǎo)體(集成電路、芯片、光電子器件)制造過程而言，對拋光精度的要求越來越高，使用的氧化鈰通常都需達到納米級別，但我國目前能達到高精度拋光要求的氧化鈰漿料在全球占比不高。因此，許多科研工作者致力于開發(fā)出不同形貌、不同尺寸、具有優(yōu)異表面性質(zhì)的氧化鈰基納米顆粒，滿足終端領(lǐng)域的拋光要求。

03

稀土元素在磁性部件中的應(yīng)用

在光刻機等高端設(shè)備中，需要使用高性能的電機和磁力軸承來實現(xiàn)精確的運動控制。據(jù)中國稀土學(xué)會的專家們介紹，這些設(shè)備的運動精度通常需要達到納米甚至亞納米級別，因此對電機和軸承的性能提出了極高的要求。稀土永磁材料，如釹鐵硼（NdFeB）和釤鈷（SmCo），是制造這些高性能部件的關(guān)鍵材料，能夠滿足諸如：高磁能積、高矯頑力、高剩磁、良好的溫度穩(wěn)定性、高均勻性等嚴苛要求。

釹鐵硼永磁材料

釹鐵硼永磁材料具有極高的磁能積，是目前已知的磁性能最高的永磁材料之一。利用釹鐵硼材料可以制造出體積小、重量輕、功率大的高性能電機，驅(qū)動光刻機中的精密運動部件，實現(xiàn)精確對準(zhǔn)和掃描。隨著光刻技術(shù)的不斷發(fā)展，對運動控制的精度要求也越來越高，對釹鐵硼永磁材料的性能也提出了更高的要求。鐠、釹、鋱、鏑是制造高性能釹鐵硼的關(guān)鍵稀土元素。

釤鈷永磁材料

釤鈷永磁材料具有優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性，在高溫環(huán)境下磁性能衰減較小，適用于對溫度穩(wěn)定性要求較高的場合。在光刻機等設(shè)備中，由于長時間運行會產(chǎn)生大量的熱，因此對磁性部件的溫度穩(wěn)定性提出了較高的要求。含有稀土元素釤的釤鈷永磁材料能夠在高溫環(huán)境下保持穩(wěn)定的磁性能，從而保證設(shè)備的正常運行。

04

高純稀土靶材在集成電路中的應(yīng)用

隨著電子技術(shù)向高性能、多功能、大容量、微型化方向發(fā)展，半導(dǎo)體芯片集成度越來越高，晶體管尺寸越來越小，傳統(tǒng)的SiO2柵介質(zhì)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(shù)的稀土柵介質(zhì)材料。

隨著我國28nm及以下高端集成電路生產(chǎn)工藝的突破和量產(chǎn)，高純稀土金屬濺射靶材戰(zhàn)略需求急迫。隨著技術(shù)的提升和材料的更迭，高純稀土金屬及合金靶材在集成電路領(lǐng)域的應(yīng)用會爆發(fā)式增長。

參考來源：

[1]陳占恒等：稀土元素在芯片制造中的重要作用綜述，中國稀土學(xué)會

[2]楊麗等：稀土在電子功能材料領(lǐng)域的應(yīng)用，包頭稀土研究院

[3]范永宇：CeO2復(fù)合磨料制備及其在化學(xué)機械拋光中的應(yīng)用，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)

[4]丁林敏：鈰基氧化物材料及前驅(qū)體的合成及拋光性能研究，南昌大學(xué)