稀土已成為半導體產業「命門」：從EUV曝光到高k材料與稀磁半導體

被譽為「工業維他命」的稀土，正憑藉其「點石成金」的獨特性能，在半導體這個技術最密集的產業中，扮演著不可或缺的關鍵角色。

根據電子產業生態服務平台《半導體產業縱橫》，稀土元素憑藉其獨特的 4f 電子構型、高化學活性以及優異的磁光熱電性能，已深度滲透半導體產業的整個生態鏈。

從設備製造（如曝光機的精密運動控制）、材料制備（如化學機械拋光劑、耐蝕涂層）到先進製程工藝（如高 k 介質優化），稀土始終發揮關鍵作用。

無論是支撐 EUV 曝光實現的奈米級精度，還是推動 5G 射頻與自旋電子器件的性能突破，稀土都扮演著不可替代的戰略材料角色。

稀土是化學週期表中鑭系元素（鑭、鈰、鐠、釹、鉕、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、鑥）與鈧、釔等 17 種元素的總稱，因其微量添加即可顯著優化材料特性的能力而得名。在半導體領域，這項特性被發揮得淋漓盡致。

稀土永磁體：驅動精密製造、曝光機的心臟

曝光機的晶圓台與掩模台需要達到奈米級精度的高速運動，其核心依賴無摩擦直線電機與磁懸浮系統。

這些系統的驅動力和強磁場主要來源於稀土永磁體，其中以釹鐵硼（NdFeB）永磁體為主。

NdFeB 永磁體由釹、鐵、硼合金構成，為了提高高溫穩定性、避免退磁，需加入鏑和鋱來調節居里溫度。

一台 EUV 曝光機需搭載數十公斤 NdFeB 磁鋼，用於電機定子和轉子。

釹提供超高磁能積，而鏑和鋱則作為輔料改善高溫穩定性，使曝光機能在保持亞奈米級定位精度的同時，實現每小時百片以上晶圓的掃描速度。

除了晶圓台外，曝光機的對準系統、鏡頭調節機構以及上下料機械手等零件，其無刷直流電機或音圈電機的核心零件也普遍採用稀土磁鋼。

需要注意的是，稀土在這些環節主要起設備支撐作用，並不直接進入晶圓製造，但缺少稀土磁體將導致曝光設備的精密運動功能完全失效。

此外，離子注入機、刻蝕機的運動平台以及渦輪分子泵電機等設備，也廣泛使用 NdFeB 永磁體來實現磁懸浮晶圓傳送和高速驅動，進一步凸顯了稀土在半導體設備運動控制中的通用性與關鍵作用。

除了精密運動控制，曝光機的光源與光學組件同樣高度依賴稀土材料。

雖然 EUV 與深紫外曝光的主光源並不依賴固體稀土介質，但晶圓定位、對準與檢測所需的輔助雷射器，普遍採用釹摻雜釔鋁石榴石（Nd:YAG）晶體。

Nd:YAG 晶體中的 Nd³⁺ 離子作為高功率雷射增益介質，可輸出波長為 1.064μm 的雷射，經二倍頻可產生 532 奈米的可見光，甚至進一步轉換為 355 奈米的紫外光，以滿足高精度檢測需求。

在尖端技術研究中，稀土元素還為下一代 EUV 光源提供潛力。

例如，美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）開發的大孔徑銩雷射器，利用 Tm³⁺ 離子產生約 2μm 的雷射，與目前行業標準的二氧化碳（CO2）雷射器相比，可將 EUV 光源效率提高約 10 倍，為降低 EUV 曝光成本提供可能。

此外，EUV/DUV 曝光機的雷射系統需避免反射光對雷射器造成損傷，其核心解決方案是光學隔離器，主要材料為鋱镓石榴石（Tb₃Ga₅O₁₂，簡稱 TGG）晶體。

TGG 中的鋱（Tb）元素具有強法拉第磁光效應，可在強磁場下旋轉光的偏振面，僅允許雷射單向通過，是保障深紫外光穩定輸出的不可或缺組件。

從材料到製程：稀土在先進晶片中的關鍵角色

稀土在半導體材料中的應用，部分尖端方向仍處於研發階段，但已展現出重要價值。

目前主流曝光膠並未直接摻雜稀土元素，但在 EUV（極紫外）曝光膠 的尖端研究中，已有嘗試將含高原子序數金屬簇（如鉿、鋯等元素）的曝光膠體系用於提升對 13.5nm 波長光的吸收效率。

有學者提出，可將含稀土元素的化合物納入曝光膠設計，利用稀土的 f 電子構型增強光吸收性能及化學放大效應。然而，這類探索目前仍停留在實驗階段，尚未有含稀土成分的曝光膠實現量產應用。

在晶圓平坦化工藝方面，化學機械拋光（CMP） 是關鍵環節，其研磨劑性能直接影響拋光效率與選擇性。

在氧化矽（SiO₂）及淺溝隔離層（STI）的抛光中，二氧化銪（CeO₂） 顆粒是主流選擇。在鹼性環境下，CeO₂ 表面的 Ce³⁺/Ce⁴⁺ 可變價態能與 SiO₂ 表面發生化學反應，生成易去除的銪矽酸鹽，大幅提升材料去除速率。

與傳統依靠機械磨削的二氧化矽或氧化鋁研磨劑相比，CeO₂ 對 SiO₂ 的拋光選擇性更高，可高效去除氧化物層，且對硅氮化物等周邊材料侵蝕極低，因此成為 STI CMP 工藝的「標準研磨劑」。

此外，在銅 / 鎢金屬層的阻擋層拋光中，改性 CeO₂ 漿料也得到應用。

在刻蝕 SiO₂ 等介質時，高密度等離子刻蝕機會使用含氟、氯的強腐蝕性等離子體。如果腔體部件直接暴露於等離子環境，容易受到侵蝕，縮短設備壽命。

為解決此問題，刻蝕機關鍵零件（如腔體內襯、射頻天線蓋片、束流環等）表面通常塗覆氧化釔（Y₂O₃） 或 氟化釔（YF₃） 陶瓷塗層。

釔的氧化物具有極高的化學穩定性，能在氟等離子環境中生成致密的 YF₃ 保護層，有效阻止進一步腐蝕。

與普通石英或氧化鋁陶瓷塗層相比，Y₂O₃ 塗層可將部件使用壽命延長數倍，因此已成為主流刻蝕設備製造商的標配。

雖然單台設備的 Y₂O₃ 用量僅為數公斤，但全球刻蝕設備數量龐大，使高純 Y₂O₃ 材料需求持續穩定。

在 5G 射頻及磁性儲存等領域，稀土摻雜濺射靶材是製備高性能薄膜的關鍵。例如，鋁釔合金靶材可用於沉積 AlScN（鋁釔氮化物）薄膜，其中釔的摻雜大幅提升氮化鋁的壓電性能，使其成為 5G 射頻 MEMS 元件（如 BAW 濾波器）的核心材料。

此外，釹、鐠等稀土靶材可用於溅射磁性存儲薄膜，例如磁阻隨機存取儲存器（MRAM）的 TbCoFe 磁光層及 SmCo 基隧穿結。

鉺硅化物（ErSi₂） 靶材在紅外光電器件中也展現潛在應用價值。

傳統氮化鎵（GaN）與氧化鋅（ZnO）器件常使用矽或藍寶石等異質襯底，但由於晶格常數差異及熱力學行為不匹配，易產生大量缺陷，造成器件閾值電壓漂移與電流崩塌等可靠性問題。

六方晶系鋁酸鎂釔（ScAlMgO₄，簡稱 SCAM 或 SAM）襯底則有效解決了這一問題。

其晶格常數與熱膨脹係數與 GaN、ZnO 高度匹配，可顯著抑制外延生長中的缺陷形成，為製備高品質 GaN 外延薄膜提供新途徑，進一步提升氮化鎵器件的性能與可靠性。

稀土元素在先進製程工藝中的應用

隨著電子技術朝向高性能、多功能、大容量及微型化方向發展，半導體晶片的整合度不斷提升，電晶體尺寸日益縮小。

傳統二氧化矽（SiO₂）作為栅介質薄膜，面臨漏電甚至絕緣失效的風險。

為解決這一核心問題，目前工業界已廣泛採用摻雜稀土元素的稀有金屬氧化物薄膜，例如含有鉿、鋯及其他稀土元素的高介電常數（高 - k）材料。

高 - k 材料具有比傳統 SiO₂ 更高的介電常數（k 值），能有效抑制漏電並維持良好的絕緣特性。隨著線寬進一步縮小，開發更高介電常數的稀土栅介質材料將成為先進製程中不可或缺的核心解決方案。

在實際應用中，行業通常以 HfO₂ 作為高 - k 介質的核心材料，並透過加入稀土元素進一步優化性能。

在高 - k / 金屬閘（HKMG）工藝中，可在 HfO₂ 表面沉積數埃厚的氧化鑭（La₂O₃），隨後經高溫退火，使鑭元素擴散至介質 / 矽界面，形成界面偶極效應。

此效應能有效降低 MOSFET 電晶體的閾值電壓（Vₜ），滿足先進製程對低功耗及高開關速度的需求。

稀土摻雜半導體材料應用

稀土元素可透過摻雜進入半導體材料，利用其 4f 電子特性製備高性能半導體發光材料，同時借助稀土離子的化學活性提升材料純度與結構完整性。

這類材料的製備工藝與 CMOS 集成電路工藝相容，為矽基光電整合提供可行方案。

以 Eu³⁺ 為例，其 4f 電子擁有豐富能級躍遷，可產生窄頻寬、高色純度的特徵發光。

氧化銪（Eu₂O₃）薄膜則是一種典型應用，其 4f 能帶結構與 ZnO、GaN 等半導體的發光機理相似，可實現高效率電致發光，且不受稀土離子濃度猝滅影響。

此外，將 Eu₂O₃ 薄膜外延生長於矽片上，可解決 GaN、ZnO 與矽襯底工藝不兼容的問題，使矽基 Eu₂O₃ 電致發光器件能與 CMOS 工藝無縫整合，為矽基光電集成的光源模組提供關鍵技術支撐。

稀磁半導體（DMS）

稀磁半導體（Diluted Magnetic Semiconductors, DMS）是透過在非磁性半導體中摻雜過渡金屬 或 稀土元素 所形成的新型功能材料。

由於摻雜濃度較低，其磁性相對溫和，但兼具電荷調控與自旋操控的特性，通常可表示為化學式 A₁₋ₓMₓB。在自旋電子學領域，稀磁半導體展現出廣闊的應用潛力。

主流摻雜元素包括過渡金屬銩（Tm）或稀土離子錸（Re）。摻雜後，材料可同時利用電子的 電荷 與 自旋 屬性，在 磁性、磁光性、磁電效應 等方面展現優異性能。

這使其成為自旋電子器件的核心材料，可用於製備高密度儲存器、高靈敏度探測器、磁感測器及光發射器等。

早期稀磁半導體的製備主要依賴分子束外延（MBE） 與金屬有機化學氣相沉積（MOCVD） 技術。