堇青石陶瓷是一种很多人都很熟悉的材料，拥有非常良好的化学稳定性和耐高温等优点，尤其是和极佳的抗热震性能，因此被大范围的应用于耐火陶瓷材料和蜂窝陶瓷催化剂载体等领域。此外，堇青石还具有低介电常数和低介电损耗等特点，因此可用作与铜互连的电子封装基板材料。当然，堇青石陶瓷最为人所知的，是其极低的热线胀系数，一般小于2×10-6K-1。

　　堇青石化学组成为 2MgO·2Al2O3·5SiO2，主要有三种晶型：α-堇青石、β-堇青石以及亚稳态的μ-堇青石。其中性能最好的是高温相的α-堇青石，就是汽车尾气催化剂用蜂窝陶瓷的晶型，也是如今大家主要研究具有极低热膨胀系数的晶型。α-堇青石晶体属于组群状硅氧四面体结构，其基本结构单元是由由[SiO4]四面体和[AlO4]四面体组成的六元环。六元环沿 c 轴同轴排列，相邻两层的六元环之间互相错开 30 °角。六元环之间则依靠[AlO4]四面体和[MgO6]八面体共棱连接。由于六节环结构中存在比较大的环形空腔，上下相邻六元环中间也存在大量的空隙，这使得在环境和温度升高时，晶体不会有明显的膨胀，因此热线胀系数极小。

　　光刻机作为集成电路生产的关键设备，其最大的要求就是分辨率与精准度高。为了能够更好的保证其分辨率，就要使用到很多特殊的材料。其中，在光刻机核心单元之一的超精密工件台上，有一个核心部件叫方镜，专门为工件台的精度及光刻效率提供保证。而方镜材料有一个至关重要的指标，就是热线胀系数，要求接近于零（≦2×10-8K-1 （22.0±0.5℃））。另外，还要求其力学性能要求比较好，抗弯强度190 MPa，弹性模量140 GPa，同时密度比较低，以达到满足平台高速移动的需要。

　　传统的方镜材料主要是各种玻璃材料，包括微晶玻璃、石英玻璃等。这些玻璃陶瓷材料在热线胀系数和强度、硬度等方面虽然基本能满足规定的要求，但弹性模量较低，为维持所需刚度就要增加厚度，没办法实现轻量化，因此越来越难以满足光刻机移动平台的需要。另外，玻璃在 EUV 离子束蚀刻过程中很容易发生磨损，因此导致精度下降。

　　在这种情况下，堇青石陶瓷就自然被关注到了。作为陶瓷材料，堇青石除了有极低的热膨胀系数，还有密度低、弹性模量高、热导率高等特点。有人将堇青石陶瓷和使用最广泛的德国肖特公司的Zerodur微晶玻璃比较过，发现二者的热膨胀系数大体相当，而前者弹性模量高出后者55%，导热系数是后者的3倍，只有密度略高。尤其重要的是，堇青石陶瓷不会因 EUV 射线的影响而发生变形。因此，堇青石作为一种新型的半导体光刻机平台材料，应用潜力极大，备受各国研发公司的青睐。

　　不过，我们前面说过，堇青石的热膨胀系数通常为2×10-6K-1，而光刻机的热膨胀系数，要求≦2×10-8K-1 。这二者之间相差是不是不有一点大呀？

　　这就要从两个方面看了。一方面，堇青石的热膨胀系数通常为2×10-6K-1，是在一个比较宽的温度范围内说的，比如800℃以下。而光刻机的热膨胀系数要求温度范围不会那么大。另一方面更重要，就是实际上的堇青石陶瓷的热膨胀系数不仅仅与其晶体结构有关，也受其工艺过程特别是掺杂的影响。换句话说，能够最终靠适当的掺杂来调节其热线胀系数。

　　调节方法有二：一是控制堇青石陶瓷的成分，减少高热膨胀系数的杂相生成；二是引起晶格畸变，使得在沿 a、c轴方向的各向异性的热膨胀可调可控。比如，有人在堇青石陶瓷中掺入 K+离子，使 c 轴方向晶格常数缩短，负膨胀向零移动，沿 a 轴方向晶格常数增加，正膨胀减小。最终得到热膨胀系数为 0.4×10-6K-1 （20-825℃）。事实上，国外一些早就通过掺杂等手段，将堇青石陶瓷热膨胀系数调降至零左右。比如，日本日立、京瓷公司已开发出适合方镜用的堇青石陶瓷，用于光刻机上了。

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