文 | 半導(dǎo)體產(chǎn)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(xué)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(xué)性能”的核心特性，在各產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮“點(diǎn)石成金”的作用，因此被譽(yù)為“工業(yè)維生素”“工業(yè)味精”或“工業(yè)潤滑劑”。在技術(shù)密集型的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中，稀土更是支撐設(shè)備精密化、材料高性能化與工藝先進(jìn)化的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，其應(yīng)用貫穿半導(dǎo)體制造全鏈條。

稀土元素在半導(dǎo)體設(shè)備中的應(yīng)用

光刻機(jī)的晶圓臺(tái)、掩模臺(tái)需實(shí)現(xiàn)納米級精度的高速運(yùn)動(dòng)，核心依賴無摩擦直線電機(jī)與磁懸浮系統(tǒng)，而這些系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力與強(qiáng)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(gòu)成，為提升高溫穩(wěn)定性（避免退磁），需摻入鏑（Dy）、鋱（Tb）調(diào)節(jié)居里溫度。據(jù)報(bào)道，單臺(tái)EUV光刻機(jī)需搭載數(shù)十公斤NdFeB磁鋼，用于電機(jī)定子與轉(zhuǎn)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(yīng)用使得光刻機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)每小時(shí)百片以上晶圓的掃描速度，同時(shí)保持亞納米定位精度。

除晶圓臺(tái)外，光刻機(jī)的對準(zhǔn)系統(tǒng)、鏡頭調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、上下料機(jī)械手等組件，其無刷直流電機(jī)或音圈電機(jī)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(shè)備級支撐，不直接進(jìn)入晶圓制造，但缺少稀土磁體將導(dǎo)致當(dāng)代光刻設(shè)備的精密運(yùn)動(dòng)功能完全失效。

此外，離子注入機(jī)、刻蝕機(jī)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、渦輪分子泵電機(jī)等，也普遍采用NdFeB永磁體實(shí)現(xiàn)磁懸浮晶圓傳送、高速驅(qū)動(dòng)，進(jìn)一步體現(xiàn)稀土在設(shè)備運(yùn)動(dòng)控制中的通用性。

除了精密運(yùn)動(dòng)控制外，光源與光學(xué)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(zhì)，但晶圓定位、對準(zhǔn)、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(zhì)，可輸出1.064μm激光，經(jīng)二倍頻后生成532nm可見光，或進(jìn)一步轉(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)室（LLNL）開發(fā)的“大孔徑銩（Tm）激光器”，利用Tm3?離子產(chǎn)生～2μm激光，與當(dāng)前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(xué)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(qiáng)法拉第磁光效應(yīng)，在強(qiáng)磁場中可旋轉(zhuǎn)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(dǎo)體材料、耗材和試劑中的應(yīng)用

稀土在半導(dǎo)體材料中的應(yīng)用，部分前沿方向仍處于研發(fā)階段，但已展現(xiàn)出關(guān)鍵價(jià)值。

盡管當(dāng)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(shù)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(lǐng)域，有學(xué)者提出，可將含稀土元素的化合物納入光刻膠成分設(shè)計(jì)，借助稀土的f電子構(gòu)型增強(qiáng)光吸收性能和化學(xué)放大效應(yīng)。不過上述探索目前均處于試驗(yàn)階段，尚未有含稀土成分的光刻膠實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。

此外，化學(xué)機(jī)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(jià)態(tài)可與SiO?表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，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(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用。

高密度等離子刻蝕機(jī)在蝕刻SiO?等介質(zhì)時(shí)，會(huì)使用含氟、氯的強(qiáng)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(jī)關(guān)鍵部件（腔體內(nèi)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(xué)穩(wěn)定性極高，在氟等離子環(huán)境中可生成致密的YF?保護(hù)層，避免進(jìn)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(shù)倍，因此主流刻蝕設(shè)備廠商廣泛采用Y?O?涂層部件。雖單臺(tái)設(shè)備Y?O?用量僅以千克計(jì)，但全球刻蝕設(shè)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(chǔ)等細(xì)分領(lǐng)域，稀土摻雜的濺射靶材是制備高性能薄膜的關(guān)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(chǔ)薄膜（如磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器MRAM的TbCoFe磁光層、SmCo基隧穿結(jié)），此外，鉺硅化物（ErSi?）靶材在紅外光電器件中也有應(yīng)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(lán)寶石等異質(zhì)襯底易因晶格常數(shù)差異、熱力學(xué)行為不協(xié)調(diào)產(chǎn)生大量缺陷，導(dǎo)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(diǎn)，原因在于其晶格常數(shù)、熱膨脹系數(shù)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(zhì)量GaN外延薄膜提供新路徑，為制備高質(zhì)量GaN外延薄膜提供了新途徑。

稀土元素在先進(jìn)制程工藝中的應(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)的二氧化硅（SiO?）柵介質(zhì)薄膜就會(huì)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(jìn)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。

高k介質(zhì)材料具有比傳統(tǒng)的SiO?更高的介電常數(shù)（k值）。

在實(shí)際應(yīng)用中，行業(yè)以HfO?作為高k介質(zhì)主體，并通過摻入稀土元素（如鑭、釔）進(jìn)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(shù)埃厚的氧化鑭（La?O?），再經(jīng)高溫退火使鑭擴(kuò)散至介質(zhì)/硅界面，可產(chǎn)生界面偶極效應(yīng)，有效降低MOSFET晶體管的閾值電壓，滿足先進(jìn)制程對低功耗、高開關(guān)速度的需求。

稀土摻雜半導(dǎo)體材料

稀土元素通過摻雜進(jìn)入半導(dǎo)體材料，可利用稀土離子4f電子的特性制備半導(dǎo)體發(fā)光材料，同時(shí)利用稀土離子的化學(xué)活性提高半導(dǎo)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(chǎn)生窄帶寬、高色純度的特征發(fā)光，因此被用于制備半導(dǎo)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(jié)構(gòu)與ZnO、GaN等半導(dǎo)體的發(fā)光機(jī)理相似，可實(shí)現(xiàn)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(dǎo)體

稀磁半導(dǎo)體（Diluted Magnetic Semiconductors，DMS）是通過在非磁性半導(dǎo)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(diào)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(xué)領(lǐng)域具有應(yīng)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(shí)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(xiàn)出優(yōu)異性能，可用于制備自旋電子器件，如高密度存儲(chǔ)器、高靈敏度探測器、磁傳感器及光發(fā)射器。早期稀磁半導(dǎo)體的制備技術(shù)以分子束外延、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積為主。

總結(jié)

稀土元素憑借其獨(dú)特的4f電子構(gòu)型、高化學(xué)活性、優(yōu)異的磁光熱電性能，已深度融入半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)從“設(shè)備制造”（如光刻機(jī)運(yùn)動(dòng)控制）、“材料制備”（如CMP拋光劑、耐蝕涂層）到“先進(jìn)工藝”（如高k介質(zhì)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(dòng)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(dǎo)體技術(shù)的迭代，稀土在前沿領(lǐng)域（如稀磁半導(dǎo)體、硅基光電集成）的應(yīng)用潛力將進(jìn)一步釋放，其研發(fā)與供應(yīng)保障對半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義。