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发布日期：2025-11-07 10:18 点击次数：69
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稀土，指镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇等17种元素的总称，即化学周期表中镧系元素（La-Lu）与钇（Y）、钪（Sc）的总称。这类元素凭借“微量添加即可显贵优化材料物理化学性能”的中枢特点，在各产业中施展“点铁成金”的作用，因此被誉为“工业维生素”“工业味精”或“工业润滑剂”。在时刻密集型的半导体产业中，稀土更是撑握竖立精密化、材料高性能化与工艺先进化的环节基础材料，其应用开通半导体制造全链条。
稀土元素在半导体竖立中的应用
光刻机的晶圆台、掩模台需收场纳米级精度的高速露出，中枢依赖无摩擦直线电机与磁悬浮系统，而这些系统的驱能源与强磁场均来自稀土永磁体，其中以钕铁硼（NdFeB）永磁体为主。NdFeB永磁体主体由钕（Nd）、铁、硼合金组成，为提高高温巩固性（幸免退磁），需掺入镝（Dy）、铽（Tb）救援居里温度。据报说念，单台EUV光刻机需搭载数十公斤NdFeB磁钢，用于电机定子与转子。钕是这种磁体的主因素，提供超高磁能积，而镝和铽动作辅料改善高温巩固性。稀土磁体的应用使得光刻机冒失收场每小时百片以上晶圆的扫描速率，同期保握亚纳米定位精度。
除晶圆台外，光刻机的瞄准系统、镜头救援机构、高下料机械手等组件，其无刷直流电机或音圈电机的中枢部件相同是稀土磁钢。需扫视的是，稀土在此智商的作用集中于竖立级撑握，不径直插足晶圆制造，但艰巨稀土磁体将导致现代光刻竖立的精密露出功能统统失效。
此外，离子注入机、刻蚀机的露出平台、涡轮分子泵电机等，也广泛接管NdFeB永磁体收场磁悬浮晶圆传送、高速运转，进一步体现稀土在竖立露出规则中的通用性。
除了精密露出规则外，光源与光学组件也依赖稀土。
EUV、深紫外光刻的主光源不依赖固体稀土介质，但晶圆定位、瞄准、检测用的缓助激光器，广泛接管钕掺杂钇铝石榴石（Nd：YAG）晶体，其含有的Nd³⁺离子是高功率激光增益介质，可输出1.064μm激光，经二倍频青年景532nm可见光，或进一步升沉为355nm紫外光，知足高精度检测需求。
前沿商议中，稀土还为下一代EUV光源提供后劲：好意思国劳伦斯利弗莫尔国度践诺室（LLNL）拓荒的“大孔径铥（Tm）激光器”，讹诈Tm³⁺离子产生~2μm激光，与现时行业轨范二氧化碳（CO2）激光器比较可将EUV光源成果提高约10倍，为EUV光刻的本钱编造提供可能。
EUV/DUV光刻机的激光系统需幸免反射光毁伤激光器，中枢科罚决议是光学停止器，其中枢材料为铽镓石榴石（Tb₃Ga₅O₁₂，简称TGG）晶体。TGG中的铽（Tb）元素具有强法拉第磁光效应，在强磁场中可旋转光的偏振面，仅允许激光单向通过，是保险深紫外激光巩固性的弗成替代组件。
稀土材料在半导体材料、
耗材和试剂中的应用
稀土在半导体材料中的应用，部分前沿见地仍处于研发阶段，但已展现出环节价值。
尽管现时主流光刻胶未径直掺杂稀土元素，但在EUV（极紫外）光刻胶的前沿商议中，已有探索接管含金属簇（如含铪、锆等高原子序数元素）的光刻胶体系，以提高对13.5nm波长光的吸得益果。针对这一鸿沟，有学者提议，可将含稀土元素的化合物纳入光刻胶因素运筹帷幄，借助稀土的f电子构型增强光接管性能和化学放大效应。不外上述探索当今均处于检会阶段，尚未有含稀土因素的光刻胶收场大范畴量产。
此外，化学机械抛光（CMP）是晶圆平坦化的中枢工艺，其研磨剂性能径直决定抛光成果与聘请性。在氧化硅（SiO₂）、浅沟停止（STI）层的抛光中，二氧化铈（CeO₂，俗称“氧化铈”）颗粒是主流聘请。在碱性环境下，CeO₂名义的Ce³⁺/Ce⁴⁺可变价态可与SiO₂名义发生化学响应，生成易去除的铈硅酸盐，大幅提高材料去除速率；比较传统二氧化硅、氧化铝磨料“仅靠机械磨削”的形状，CeO₂对SiO₂的抛光聘请性更高，可高效去除氧化物层，且果真不侵蚀硅氮化物等邻近材料，因此成为STI CMP工艺的“轨范研磨剂”。此外，铜/钨金属层的招架层抛光中，改性CeO₂浆料也有应用。
高密度等离子刻蚀机在蚀刻SiO₂等介质时，会使用含氟、氯的强腐蚀性等离子体，若腔体部件径直构兵，易被侵蚀并裁汰寿命。科罚决议是在刻蚀机环节部件（腔体内衬、射频天线盖片、束流环等）名义涂覆氧化钇（Y₂O₃）或氟化钇（YF₃）陶瓷涂层：钇（Y）的氧化厌世学巩固性极高，在氟等离子环境中可生成细腻的YF₃保护层，幸免进一步被侵蚀；比较普通石英、氧化铝陶瓷涂层，Y₂O₃涂层可将部件使用寿命延迟数倍，因此主流刻蚀竖立厂商平常接管Y₂O₃涂层部件。虽单台竖立Y₂O₃用量仅以千克计，但公共刻蚀竖立保有量宏大，酿成对高纯Y₂O₃材料的握续需求。
在5G射频、磁性存储等细分鸿沟，稀土掺杂的溅射靶材是制备高性能薄膜的环节。比如，铝钪合金靶材可用于千里积铝钪氮（AlScN）薄膜，钪（Sc）的掺杂可大幅提高氮化铝（AlN）的压电性能，而AlScN薄膜是5G射频MEMS元件（如BAW滤波器）的中枢材料；钕（Nd）、镨（Pr）等靶材可用于溅射磁性存储薄膜（如磁阻立时存取存储器MRAM的TbCoFe磁光层、SmCo基隧穿结），此外，铒硅化物（ErSi₂）靶材在红外光电器件中也有应用后劲。
氮化镓（GaN）、氧化锌（ZnO）基器件的传统制备中，接管硅、蓝支撑等异质衬底易因晶格常数各别、热力学步履不互助产生大批短处，导致器件阈值电压漂移、电流坍塌等可靠性问题。而六方晶系铝酸镁钪（ScAlMgO₄，简称SCAM或SAM）衬底可科罚这一痛点，原因在于其晶格常数、热推广统统与GaN、ZnO高度匹配，能显贵羁系外延滋长中的短处酿成，为制备高质料GaN外延薄膜提供新旅途，为制备高质料GaN外延薄膜提供了新路线。
稀土元素
在先进制程工艺中的应用
跟着电子时刻向高性能、多功能、大容量、小型化见地发展，半导体芯片集成度越来越高，晶体管尺寸越来越小，传统的二氧化硅（SiO₂）栅介质薄膜就会存在走电以至绝缘失效的问题，当今接管铪、锆及稀土改性的编削金属氧化物薄膜科罚中枢走电问题。如若进一步编造线宽，则需接管更高介电常数的稀土栅介质材料。
高k介质材料具有比传统的SiO₂更高的介电常数（k值）。
在内容应用中，行业以HfO₂动作高k介质主体，并通过掺入稀土元素（如镧、钇）进一步优化性能。在高k/金属栅（HKMG）工艺中，通过在HfO₂名义千里积数埃厚的氧化镧（La₂O₃），再经高温退火使镧扩散至介质/硅界面，可产生界面偶极效应，灵验编造MOSFET晶体管的阈值电压，知足先进制程对低功耗、高开关速率的需求。
稀土掺杂半导体材料
稀土元素通过掺杂插足半导体材料，可讹诈稀土离子4f电子的特点制备半导体发光材料，同期讹诈稀土离子的化学活性提高半导体材料的纯度、齐备性，且其制备工艺与集成电路CMOS工艺兼容，为硅基光电集成提供可能。
稀土离子（如Eu³⁺）的4f电子具有丰富的能级跃迁，可产生窄带宽、高色纯度的特征发光，因此被用于制备半导体发光材料。以氧化铕（Eu₂O₃）薄膜为例，Eu₂O₃具有优胜的发光与催化性能，其4f能带结构与ZnO、GaN等半导体的发光机理相似，可收场电致发光，且发光成果不受稀土离子浓度猝灭的收尾；在硅片上外延滋长Eu₂O₃薄膜，可科罚GaN、ZnO与硅衬底工艺不兼容的问题，使硅基Eu₂O₃电致发光器件能与CMOS工艺无缝整合，为硅基光电集成的光源智商提供科罚决议。
稀磁半导体
稀磁半导体（Diluted Magnetic Semiconductors，DMS）是通过在非磁性半导体中掺杂过渡金属或稀土元素酿成的新式材料，由于掺杂浓度较低，其磁性相对较弱，兼具电荷调控与自旋主管特点，其分子式往往暗示为A₁₋ₓMₓB，在自旋电子学鸿沟具有应用后劲。
主流掺杂元素包括过渡金属铥（Tm）或稀土离子铼（Re），掺杂后材料可同期讹诈电子的电荷属性与自旋属性，在磁、磁光、磁电等方面进展出优异性能，可用于制备自旋电子器件，如高密度存储器、高聪惠度探伤器、磁传感器及光放射器。早期稀磁半导体的制备时刻以分子束外延、金属有机化学气相千里积为主。
归来
稀土元素凭借其独有的4f电子构型、高化学活性、优异的磁光热电性能，已深度融入半导体产业从“竖立制造”（如光刻机露出规则）、“材料制备”（如CMP抛光剂、耐蚀涂层）到“先进工艺”（如高k介质优化）的全链条。无论是撑握EUV光刻的“纳米级精度”，已经鼓动5G射频、自旋电子器件的“性能打破”，稀土均上演着“弗成替代的计谋材料”变装。
跟着半导体时刻的迭代，稀土在前沿鸿沟（如稀磁半导体、硅基光电集成）的应用后劲将进一步开释，其研发与供应保险对半导体产业的发展具有伏击计谋真理。
背负剪辑丨陈斌
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