稀土已成為半導體產業“命門”

稀土，指鑭、鈰、鐠、釹、鉕、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、鑥、鈧、釔等17種元素的總稱，即化學周期表中鑭系元素（La-Lu）與釔（Y）、鈧（Sc）的總稱。這類元素憑藉“微量加入即可顯著最佳化材料物理化學性能”的核心特性，在各產業中發揮“點石成金”的作用，因此被譽為“工業維生素”“工業味精”或“工業潤滑劑”。在技術密集型的半導體產業中，稀土更是支撐裝置精密化、材料高性能化與工藝先進化的關鍵基礎材料，其應用貫穿半導體製造全鏈條。

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稀土元素在半導體裝置中的應用

光刻機的晶圓台、掩模台需實現奈米級精度的高速運動，核心依賴無摩擦直線電機與磁懸浮系統，而這些系統的驅動力與強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、硼合金構成，為提升高溫穩定性（避免退磁），需摻入鏑（Dy）、鋱（Tb）調節居里溫度。據報導，單台EUV光刻機需搭載數十公斤NdFeB磁鋼，用於電機定子與轉子。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定性。稀土磁體的應用使得光刻機能夠實現每小時百片以上晶圓的掃描速度，同時保持亞奈米定位精度。

除晶圓台外，光刻機的對準系統、鏡頭調節機構、上下料機械手等元件，其無刷直流電機或音圈電機的核心部件同樣是稀土磁鋼。需注意的是，稀土在此環節的作用集中於裝置級支撐，不直接進入晶圓製造，但缺少稀土磁體將導致當代光刻裝置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、渦輪分子泵電機等，也普遍採用NdFeB永磁體實現磁懸浮晶圓傳送、高速驅動，進一步體現稀土在裝置運動控制中的通用性。

除了精密運動控制外，光源與光學元件也依賴稀土。

EUV、深紫外光刻的主光源不依賴固體稀土介質，但晶圓定位、對準、檢測用的輔助雷射器，普遍採用釹摻雜釔鋁石榴石（Nd:YAG）晶體，其含有的Nd³⁺離子是高功率雷射增益介質，可輸出1.064μm雷射，經二倍頻後生成532nm可見光，或進一步轉化為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驗室（LLNL）開發的“大孔徑銩（Tm）雷射器”，利用Tm³⁺離子產生～2μm雷射，與當前行業標準二氧化碳（CO2）雷射器相比可將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光刻機的雷射系統需避免反射光損傷雷射器，核心解決方案是光學隔離器，其核心材料為鋱鎵石榴石（Tb₃Ga₅O₁₂，簡稱TGG）晶體。TGG中的鋱（Tb）元素具有強法拉第磁光效應，在強磁場中可旋轉光的偏振面，僅允許雷射單向通過，是保障深紫外雷射穩定性的不可替代元件。

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稀土材料在半導體材料、耗材和試劑中的應用

稀土在半導體材料中的應用，部分前沿方向仍處於研發階段，但已展現出關鍵價值。

儘管當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，已有探索採用含金屬簇（如含鉿、鋯等高原子序數元素）的光刻膠體系，以提升對13.5nm波長光的吸收效率。針對這一領域，有學者提出，可將含稀土元素的化合物納入光刻膠成分設計，借助稀土的f電子構型增強光吸收性能和化學放大效應。不過上述探索目前均處於試驗階段，尚未有含稀土成分的光刻膠實現大規模量產。

此外，化學機械拋光（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。在氧化矽（SiO₂）、淺溝隔離（STI）層的拋光中，二氧化鈰（CeO₂，俗稱“氧化鈰”）顆粒是主流選擇。在鹼性環境下，CeO₂表面的Ce³⁺/Ce⁴⁺可變價態可與SiO₂表面發生化學反應，生成易去除的鈰矽酸鹽，大幅提升材料去除速率；相比傳統二氧化矽、氧化鋁磨料“僅靠機械磨削”的方式，CeO₂對SiO₂的拋光選擇性更高，可高效去除氧化物層，且幾乎不侵蝕矽氮化物等周邊材料，因此成為STI CMP工藝的“標準研磨劑”。此外，銅/鎢金屬層的阻擋層拋光中，改性CeO₂漿料也有應用。

高密度電漿刻蝕機在蝕刻SiO₂等介質時，會使用含氟、氯的強腐蝕性電漿體，若腔體部件直接接觸，易被侵蝕並縮短壽命。解決方案是在刻蝕機關鍵部件（腔體內襯、射頻天線蓋片、束流環等）表面塗覆氧化釔（Y₂O₃）或氟化釔（YF₃）陶瓷塗層：釔（Y）的氧化物化學穩定性極高，在氟電漿環境中可生成緻密的YF₃保護層，避免進一步被侵蝕；相比普通石英、氧化鋁陶瓷塗層，Y₂O₃塗層可將部件使用壽命延長數倍，因此主流刻蝕裝置廠商廣泛採用Y₂O₃塗層部件。雖單台裝置Y₂O₃用量僅以千克計，但全球刻蝕裝置保有量巨大，形成對高純Y₂O₃材料的持續需求。

在5G射頻、磁性儲存等細分領域，稀土摻雜的濺射靶材是製備高性能薄膜的關鍵。比如，鋁鈧合金靶材可用於沉積鋁鈧氮（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）等靶材可用於濺射磁性儲存薄膜（如磁阻隨機存取儲存器MRAM的TbCoFe磁光層、SmCo基隧穿結），此外，鉺矽化物（ErSi₂）靶材在紅外光電器件中也有應用潛力。

氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）基器件的傳統製備中，採用矽、藍寶石等異質襯底易因晶格常數差異、熱力學行為不協調產生大量缺陷，導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（ScAlMgO₄，簡稱SCAM或SAM）襯底可解決這一痛點，原因在於其晶格常數、熱膨脹係數與GaN、ZnO高度匹配，能顯著抑制外延生長中的缺陷形成，為製備高品質GaN外延薄膜提供新路徑，為製備高品質GaN外延薄膜提供了新途徑。

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稀土元素在先進製程工藝中的應用

隨著電子技術向高性能、多功能、大容量、微型化方向發展，半導體晶片整合度越來越高，電晶體尺寸越來越小，傳統的二氧化矽（SiO₂）柵介質薄膜就會存在漏電甚至絕緣失效的問題，目前採用鉿、鋯及稀土改性的稀有金屬氧化物薄膜解決核心漏電問題。如果進一步降低線寬，則需採用更高介電常數的稀土柵介質材料。

高k介質材料具有比傳統的SiO₂更高的介電常數（k值）。

在實際應用中，行業以HfO₂作為高k介質主體，並通過摻入稀土元素（如鑭、釔）進一步最佳化性能。在高k/金屬柵（HKMG）工藝中，通過在HfO₂表面沉積數埃厚的氧化鑭（La₂O₃），再經高溫退火使鑭擴散至介質/矽介面，可產生介面偶極效應，有效降低MOSFET電晶體的閾值電壓，滿足先進製程對低功耗、高開關速度的需求。

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稀土摻雜半導體材料

稀土元素通過摻雜進入半導體材料，可利用稀土離子4f電子的特性製備半導體發光材料，同時利用稀土離子的化學活性提高半導體材料的純度、完整性，且其製備工藝與積體電路CMOS工藝相容，為矽基光電整合提供可能。

稀土離子（如Eu³⁺）的4f電子具有豐富的能級躍遷，可產生窄頻寬、高色純度的特徵發光，因此被用於製備半導體發光材料。以氧化銪（Eu₂O₃）薄膜為例，Eu₂O₃具有優越的發光與催化性能，其4f能帶結構與ZnO、GaN等半導體的發光機理相似，可實現電致發光，且發光效率不受稀土離子濃度猝滅的限制；在矽片上外延生長Eu₂O₃薄膜，可解決GaN、ZnO與矽襯底工藝不相容的問題，使矽基Eu₂O₃電致發光器件能與CMOS工藝無縫整合，為矽基光電整合的光源環節提供解決方案。

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稀磁半導體

稀磁半導體（Diluted Magnetic Semiconductors，DMS）是通過在非磁性半導體中摻雜過渡金屬或稀土元素形成的新型材料，由於摻雜濃度較低，其磁性相對較弱，兼具電荷調控與自旋操縱特性，其分子式通常表示為A₁₋ₓMₓB，在自旋電子學領域具有應用潛力。

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屬性與自旋屬性，在磁、磁光、磁電等方面表現出優異性能，可用於製備自旋電子器件，如高密度儲存器、高靈敏度探測器、磁感測器及光發射器。早期稀磁半導體的製備技術以分子束外延、金屬有機化學氣相沉積為主。

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總結

稀土元素憑藉其獨特的4f電子構型、高化學活性、優異的磁光熱電性能，已深度融入半導體產業從“裝置製造”（如光刻機運動控制）、“材料製備”（如CMP拋光劑、耐蝕塗層）到“先進工藝”（如高k介質最佳化）的全鏈條。無論是支撐EUV光刻的“奈米級精度”，還是推動5G射頻、自旋電子器件的“性能突破”，稀土均扮演著“不可替代的戰略材料”角色。

隨著半導體技術的迭代，稀土在前沿領域（如稀磁半導體、矽基光電整合）的應用潛力將進一步釋放，其研發與供應保障對半導體產業的發展具有重要戰略意義。 (半導體產業縱橫)