聚焦粉体|堇青石——推动光刻机发展的关键

在现代工业的精密制造领域，堇青石以其卓越的性能成为了一种明星材料。近日，京瓷公司宣布，其“精密堇青石”陶瓷镜已被选用于国际空间站 (ISS) 与地球上的移动光学站之间进行光通信的实验设备。这种高性能陶瓷不仅拥有极低的热膨胀系数，还具备优异的抗热震性能、良好的高温稳定性和出色的抗氧化性。这些特性使得堇青石在冶金、汽车、催化剂、环保、电子封装和红外发射等多个领域大放异彩，尤其在半导体装备制造领域展现出巨大的应用潜力，是光刻机方镜等的理想材料。

在光刻机的超精密工件台上，方镜部件的精确度直接关系到光刻机的分辨率和生产效率，其热膨胀系数必须接近零（≦2×10⁻⁸ K⁻¹），以确保在温度波动下仍能保持极高的定位精度。此外还需具备高抗弯强度（>190 MPa）和高弹性模量（>140 GPa），同时保持低密度，以满足平台高速移动的需求。因此堇青石陶瓷因其极小的膨胀系数和优异的机械性能，成为了制造方镜部件的理想材料。

光刻机结构图 （图源网络）

堇青石的化学式为Mg₂Al₄Si₅O₁₈，是MgO-SiO₂-Al₂O₃体系中的关键三元氧化物。它的理论密度约为2.6g·cm⁻³，熔点约为1460℃，具有良好的化学稳定性、较高的电阻率(>10¹²Ω·cm)、较低的介电常数(εr=6)以及近零的频率温度系数(τf=-32x10⁻⁶℃⁻¹)等优良特性。其晶体存在三种结构，分别为高温稳定相α堇青石、低温稳定相β堇青石和低温亚稳态μ堇青石。当环境温度发生变化时，Al-O 和 Si-O 的键长几乎不变，而 Mg-O 的键长明显增加，从而为体积膨胀提供更多空间。因此堇青石在C轴方向上展现出较小的热膨胀系数，系数低至1.5x10⁻⁶K⁻¹~2x10⁻⁶K⁻¹（25℃~800℃），在温度波动下保持极强的尺寸稳定性，达到优质低热膨胀材料的要求。

MgO-SiO₂-Al₂O₃三元相图（图源网络）

将堇青石粉体制造成方镜部件，是一个涉及多步骤的复杂过程。首先，需要制备高纯度、细粒径、比例精确、分布均匀的堇青石粉末，这对于烧结出均匀、致密的堇青石陶瓷至关重要。接下来，粉末会经过成型工艺形成方镜的初步形状，如干压、等静压或注射成型，通过精确控制压力和模具设计，得到尺寸精确、形状规整的成型部件。之后部件经高温烧结实现致密化和晶相转变，过程中的温度、气氛和时间通过严苛控制，来确保产品的物理性能和微观结构满足要求。最后，烧结后的方镜部件需要经过精密的机械加工和抛光，满足表面粗糙度和几何精度的要求，从而达到光刻机所需的分辨率和生产效率。

为得到理想的堇青石粉体，现有方法包括：固相烧结法、溶胶-凝胶法、熔融玻璃法等，比如固相烧结法采用将MgO、SiO₂、Al₂O₃三种粉体经球磨机或砂磨机机械研磨混合，但在高纯度保持、粒径控制和多元素混合效果方面很难满足光刻机器件对材料的要求。溶胶-凝胶法可制备粒径细小且分布均匀的粉体，但工艺复杂且生产效率低，不适于规模化工业生产。熔融玻璃法获得的材料均匀化效果好、纯度高，但能耗巨大导致生产成本高。

在堇青石陶瓷的生产中，原料粒径的控制和元素混合的均匀性是确保方镜部件性能的关键。细粒径的粉体材料（<50 nm）可以带来更高的烧结活性，促进材料的致密化，从而在较低的温度下实现烧结。这种精细的粒径控制有助于形成更均匀的微观结构，减少孔隙和缺陷，提高材料的强度和韧性。此外，细粒径粉末还有助于实现更精细的晶粒结构，这对于提高材料的整体性能至关重要。

良好的元素混合更有助于在烧结过程中形成均匀的微观结构，减少局部的化学或物理性能变化，从而确保材料的一致性和可靠性。这对于光刻机等高端应用尤为重要，因为这些应用要求材料具有非常精确的热膨胀系数和机械性能。

肖特公司Zerodur低热膨胀微晶玻璃（图源网络）

与光刻机常用的其他低热膨胀材料相比，堇青石的弹性模量远超 Zerodur（约增加 55%），而其密度则仅略高于 Zerodur。同时导热系数几乎是 Zerodur 的三倍，这使其在使用过程中能更有效地散热，满足热稳定性需求。因此ASML、NIKON 和 CANON 等公司大力布局堇青石陶瓷，日本的京瓷和日立等公司的器件产品已实现在光刻机移动平台部件中的应用。国产堇青石材料的研究起步较晚，处于小规模或试制研发阶段，国家组织了科技重大专项“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”等攻关，力争解决高端半导体装备依赖进口的问题。

光刻机用低热膨胀材料性能对比（图源网络）

未来堇青石的发展挑战，主要是进一步降低热膨胀系数，以满足EUV极紫外光刻机≦2×10⁻⁸ K⁻¹的要求。从2×10⁻⁶ K⁻¹到2×10⁻⁸ K⁻¹的差距看似巨大，但堇青石陶瓷的热膨胀系数不仅与晶体结构有关，也受工艺过程及掺杂的影响。很多研究显示，通过适当掺杂，可以调节其热膨胀系数。

堇青石掺杂优化热膨胀率特性（图源网络）

堇青石，这种在光刻机制造中发挥着关键作用的超级材料，正等待着去进一步探索和开发。随着科技的不断进步，堇青石的应用前景将更加广阔，它的故事也将继续被书写。

本文综合来源李卫聊科技、粉体圈等