1 引言
在當今高度資訊化的時代，晶片已經成為現代社會不可或缺的基礎設施。從智慧手機、個人電腦到伺服器、超級電腦，乃至人工智慧、物聯網、自動駕駛等前沿科技，都離不開高性能、高可靠性的晶片作為支撐。晶片的性能直接決定了電子設備的運行速度、功耗以及智慧化水準。因此，晶片製造技術的發展水準，直接關係到一個國家在高科技領域的競爭力。
晶片製造是一項極其複雜和精密的工程，涉及材料科學、物理學、化學、電子工程等多個學科。其製造過程需要數百道工序，每一道工序都對材料和設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，晶片製造面臨著越來越多的挑戰。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、電學和磁學性質，在晶片製造中扮演著日益重要的角色。
本文將系統地綜述稀土元素在晶片製造中的應用，重點關注其在光刻、拋光、磁性部件等關鍵環節中的作用，旨在強調稀土資源對半導體產業和整個資訊技術領域的重要性。
2 稀土元素在光刻技術中的應用
光刻是晶片製造中最核心的工藝之一，其解析度直接決定了晶片的集成度。光刻技術通過將設計好的電路圖案轉移到晶圓表面，從而定義出晶片上的各種微觀結構。稀土元素在光刻機和光刻膠中均有重要應用，對提升光刻解析度和圖案品質起著關鍵作用。
2.1 光刻機鏡頭
光刻機鏡頭是光刻設備的核心部件之一，其性能直接影響到光刻解析度和成像品質。隨著光刻技術向更短波長方向發展（例如深紫外DUV和極紫外EUV），對光學玻璃的性能要求也越來越高。光刻機的鏡頭系統需要使用高折射率的光學玻璃，以提高解析度和成像品質。隨著光刻技術向更短波長方向發展（例如極紫外光刻 EUV），對光學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，可以調節其光學性質，以滿足光刻機鏡頭的性能要求。常見的稀土光學玻璃種類包括：
含鑭（La）光學玻璃：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，同時保持良好的透過率。含鑭光學玻璃廣泛應用於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玻璃。
含釔（Y）光學玻璃：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穩定性和熱穩定性。含釔光學玻璃常與含鑭光學玻璃配合使用，以進一步優化透鏡的光學性能。
含釓（Gd）光學玻璃：釓可以提高玻璃的折射率，並改善其色散特性。含釓光學玻璃常用于製造高精度光刻機鏡頭。
含其他稀土元素的光學玻璃：除了鑭、釔和釓之外，其他稀土元素如鐠（Pr）、釹（Nd）、鋱（Tb）等也可以用於調節光學玻璃的色散特性、透過率和熱膨脹係數。
DUV光刻機鏡頭通常使用多種稀土光學玻璃組合，以實現高折射率、高透過率和低色散。例如，某些DUV光刻機鏡頭使用了8種不同的光學玻璃，其中大部分都含有稀土元素。EUV光刻機鏡頭對光學材料的性能要求更高。由於EUV光波長極短，傳統的光學玻璃無法滿足其透過率要求。
目前，EUV光刻機鏡頭主要採用反射式光學系統，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，以提高其熱穩定性和抗輻射能力。
2.2 光刻膠
光刻膠是光刻工藝中用於轉移圖案的關鍵材料。它是一種對光敏感的聚合物，在光照後其溶解度會發生改變，從而實現圖案的轉移。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用主要基於以下幾個方面：
增強抗蝕刻能力：某些稀土元素（如Ce）的氧化物或氟化物可以作為光刻膠的添加劑，提高其在等離子刻蝕過程中的抗蝕刻能力。在晶片製造中，光刻膠需要承受嚴酷的等離子刻蝕環境，添加稀土化合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晶片良率。
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，從而提高光刻的解析度和靈敏度。
調整光刻膠的光學性質：稀土元素具有獨特的光學性質，可以通過在光刻膠中摻雜不同的稀土化合物來調整光刻膠的折射率、吸收係數等光學參數。這有助於優化光刻過程中的光場分佈，提高光刻的成像品質。
作為淬滅劑：在一些化學放大光刻膠中，可能會用到稀土配合物作為淬滅劑，用來控制光酸的擴散，從而提高光刻解析度。
3 稀土元素在晶圓拋光中的應用
化學機械拋光（CMP）是晶片製造中用於實現晶圓表面平坦化的關鍵工藝。在晶片製造過程中，需要在晶圓表面沉積多層薄膜，並進行多次光刻和刻蝕。為了保證後續工藝的精度和良率，需要對晶圓表面進行高精度的平坦化處理。氧化鈰（CeO2）是CMP工藝中常用的拋光材料。相比於其他拋光材料（如氧化鋁、二氧化矽等），氧化鈰具有較高的材料去除率，可以有效地提高拋光效率，對不同材料的去除速率不同，可以選擇性地去除某些材料，從而實現更好的平坦化效果，氧化鈰拋光後的晶圓表面損傷較小，可以提高晶片的性能和可靠性。
研究表明，採用高品質的氧化鈰拋光粉可以顯著提高晶片的成品率和可靠性。氧化鈰通常以納米顆粒的形式分散在拋光液中。這些納米顆粒的尺寸、形狀、晶體結構和表面性質都會影響其拋光性能。為了獲得更好的拋光效果，通常需要對氧化鈰顆粒進行表面改性，例如包覆有機物或無機物，以提高其分散性和選擇性。
氧化鈰拋光粉通過化學腐蝕和機械研磨的協同作用，有效地去除晶圓表面的不平整，實現納米級別的平坦化。氧化鈰有Ce3+和Ce4+兩種氧化態，具有獨特的氧化還原特性，能夠與晶圓表面的材料發生化學反應，形成易於去除的反應產物。同時，氧化鈰顆粒的機械研磨作用可以去除這些反應產物，從而實現晶圓表面的平坦化。高品質的晶圓表面對於後續的薄膜沉積、光刻等工藝至關重要，直接影響晶片的性能和良率。
4 稀土元素在磁性部件中的應用
在光刻機等高端設備中，需要使用高性能的電機和磁力軸承來實現精確的運動控制。這些設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），是製造這些高性能部件的關鍵材料 。
4.1 對稀土磁性材料的性能要求
光刻機對稀土磁性材料的性能要求非常高，主要包括：
高磁能積：磁能積是衡量永磁材料性能的重要指標，直接影響電機和磁力軸承的功率密度和尺寸。光刻機對磁體通常要求 (BH)max > 300 kJ/m3。
高矯頑力：矯頑力是衡量永磁材料抗退磁能力的重要指標，直接影響電機和磁力軸承的穩定性。在高工作溫度和強磁場環境下，要求矯頑力足夠高，以防止磁體退磁。
高剩磁：剩磁是衡量永磁材料磁化後剩餘磁感應強度的指標，直接影響電機和磁力軸承的磁場強度。
良好的溫度穩定性：光刻機內部的工作溫度可能會升高，因此要求稀土磁性材料具有良好的溫度穩定性，即磁性能隨溫度變化較小。
高均勻性：為了保證電機和磁力軸承的性能一致性，要求稀土磁性材料具有高均勻性，即磁性能在不同位置的差異較小。
小尺寸和高精度：為了滿足光刻機的小型化和高精度要求，要求稀土磁性材料能夠製備成小尺寸、高精度的形狀。
4.2 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製造出體積小、重量輕、功率大的高性能電機，驅動光刻機中的精密運動部件，實現精確對準和掃描。隨著光刻技術的不斷發展，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、鏑是製造高性能釹鐵硼的關鍵稀土元素。
4.3 釤鈷永磁材料
釤鈷永磁材料具有優異的高溫穩定性，在高溫環境下磁性能衰減較小，適用於對溫度穩定性要求較高的場合。在光刻機等設備中，由於長時間運行會產生大量的熱，因此對磁性部件的溫度穩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境下保持穩定的磁性能，從而保證設備的正常運行。
4.4 光刻機中的電機
光刻機是一種高度精密的設備，需要多種類型的電機來實現不同的運動控制功能。常見的電機類型包括：
直線電機用於晶圓臺和掩模台的高速、高精度運動控制。直線電機可以直接產生直線運動，避免了旋轉運動到直線運動的轉換，從而提高了運動精度和響應速度。通常晶圓臺和掩模台各使用多個直線電機，具體數量取決於光刻機的設計和性能要求。例如，晶圓臺可能使用 2 ~ 4 個直線電機，掩模台也可能使用 2 ~ 4 個直線電機。
音圈電機用於精細的定位和掃描控制，例如物鏡的聚焦和傾斜調整，具有高精度、高回應速度和無摩擦等優點。物鏡通常使用3 ~ 6 個音圈電機來實現多自由度的運動控制。
旋轉電機用於一些輔助運動控制，例如旋轉晶圓臺、調整光學元件的角度等。
步進電機用於一些對精度要求不高的運動控制，例如自動對準、更換濾光片等。
4.5光刻機中的磁力軸承
磁力軸承是一種利用磁力懸浮轉子的軸承，具有無摩擦、無磨損、高精度和長壽命等優點。磁力軸承的類型主要包括：主動磁力軸承： 通過控制電磁鐵的電流來調節磁力，實現對轉子的精確控制；被動磁力軸承： 利用永磁體的磁力實現懸浮，無需外部能量輸入，但控制精度相對較低。在光刻機中，磁力軸承主要應用於：
物鏡台：用於支撐和控制物鏡台的運動，提供高精度的定位和掃描。通常，一個物鏡台可能使用 3 ~ 6 個磁力軸承。
高速旋轉部件：用於支撐高速旋轉的光學元件或掃描機構。
混合磁力軸承：結合了主動磁力軸承和被動磁力軸承的優點，既能提供較高的承載能力，又能實現精確地控制。
5 稀土元素的其他應用
其他稀土元素也在晶片製造中發揮著重要作用。光刻機系統需要使用高性能的大型積體電路，積體電路中可能需要使用含有稀土元素的介電陶瓷材料，這些稀土元素可能涉及鑭、釹、釤、鈰、鏑和釔，用於提高介電常數、改善溫度穩定性、提高絕緣電阻、改善頻率特性、提高抗氧化性、改善燒結性能、控制晶粒生長等。 高功率雷射器是光刻機的核心光源。深紫外 （DUV） 光刻採用準分子雷射器（如KrF雷射器，波長193 nm 和 ArF雷射器，波長134 nm）作為DUV光刻機的核心光源。極紫外（EUV） 光刻的光源通常是鐳射等離子體，但仍然需要高功率雷射器（通常是CO2雷射器）來轟擊產生所需的13.5 nm極紫外光。稀土元素如鉺（Er）、鐿（Yb）等被用作鐳射介質添加劑，產生特定波長的鐳射，用於鐳射退火、鐳射刻蝕等工藝。此外，在一些新型記憶體中，稀土氧化物如氧化鑭和氧化釔也被用作絕緣層材料的添加劑，以改善絕緣材料的性能，提高記憶體的性能和可靠性。
6 結論
稀土元素憑藉其獨特的光學、電學和磁學特性，在晶片製造的多個環節中發揮著不可替代的作用。從光刻機的鏡頭、光刻膠，到晶圓拋光材料和高性能磁性部件，稀土元素的應用貫穿了整個晶片製造過程。隨著晶片技術的不斷發展，對稀土元素的需求也將持續增長。因此，確保稀土資源的安全供應，對於維護半導體產業的穩定發展和提升國家在高科技領域的競爭力具有重要意義，也是保障半導體產業可持續發展的關鍵。
