一、石英(SiO₂)材料和玻璃的区别:
石英:只含有SiO₂成分,其微观结构是一种由二氧化硅四面结构体结构单元组成的单纯网络;
玻璃:由许多成分,如石英砂、硼砂、硼酸、重晶石、碳酸钡、石灰石、长石、纯碱等所构成。
因为石英之中含有的金属杂质的量非常少,本身的纯度极高,因此石英被誉为玻璃材料中的“王冠”。具体的优势有以下五点:
1、耐高温。石英玻璃的软化点温度约为1730℃,可以在1150℃下长时间使用,短时间最高温度可达1450℃。
2、耐腐蚀。除氢氟酸外,高纯石英几乎与其他酸类物质不发生化学反应。石英的耐酸能力是陶瓷的30倍,不锈钢的150倍,尤其是在高温下的化学稳定性,是其他任何工程材料都无法比拟的。尤其在高温下,它能耐硫酸,硝酸,盐酸,王水,中性盐类,碳和硫等侵蚀。
3、热稳定性好。高纯石英的热膨胀系数极小,能承受激烈的温度变化,将高纯石英加热至1100℃左右,放入常温水中也不会产生炸裂。
4、透光性能好。高纯石英在紫外线到红外线的整个光谱波段都有较好的透光性能,可见光透光率在93%以上。特别是在紫外线光谱区,透光率可达80%以上。
5、电绝缘性能好。高纯石英的电阻值相当于普通石英玻璃的一万倍,是极好的电绝缘材料,即使在高温下也具有良好的电性能。
国家规定各种石英玻璃的SiO₂含量标准 | |||
不透明石英玻璃 | 气炼透明石英玻璃 | 高纯石英玻璃 | SiCl₄合成石英玻璃 |
99.50% | 99.97% | 99.999% | 99.999% |
正因为这些优秀的物理、化学特性,在快速发展的半导体行业,高纯度的石英材料被广泛的应用,硅晶圆的规模一直在不断的增加,因此各大芯片制造商对石英制的各种部件需求量大大增加。
二、石英制品在半导体行业中的应用
在半导体行业,高纯石英制品是晶圆生产中的重要耗材,比如坩埚、晶舟、扩散炉炉芯管等石英部件。石英部件在半导体领域的主要目标市场是晶圆代工中扩散和刻蚀部门,可以分为高温区器件和低温区器件两大类,主要如下:
高温区器件:主要是扩散氧化等环节使用的炉管、玻璃舟架等,需要在高温环境中直接或间接与硅片接触;
低温区器件:主要是刻蚀环节的石英环等,还包括清洗过程中的花篮、清洗槽等,主要在低温环境中使用;
1、高温区器件
a、石英炉管:炉管(furnace)是晶圆进行高温加热过程的区域,由石英炉管、反应室和数个加热器组成,在半导体制程中广泛应用于扩散、氧化、退火处理等步骤。设备分为水平式和垂直式两种:
水平式炉管,晶圆放置在石英晶舟上,且石英晶舟又放在SiC做的承载架上,且前后会有适应挡板,承载架推进石英炉管中,晶圆在恒温区进行反应;
垂直式炉管,晶圆在石英塔架上,然后缓慢上升到石英炉管内进行制程。
b、石英晶舟:在半导体IC制造过程中,晶舟常用于芯片传送、清洗及加工的承载芯片工具,其上会设置有多个晶圆槽,每一个晶圆槽用来放置一片晶圆。在扩散制程中,就是先将多片晶圆放于一个石英晶舟上,再将石英晶舟放在炉管内进行批次制造。石英支架就是用于承载多个石英舟的器件。
2、低温区器件
a、石英环:刻蚀工艺是半导体工艺中较为复杂,是与光刻相联系的图形化(pattern)处理的一种主要工艺,石英环就用于此。
“光刻”是将光刻胶进行光刻曝光处理(相当于用投影的方式把电路图“画”在晶圆上),“刻蚀”则是用化学或物理方法沿着光刻胶表面显影的图案,从硅片表面去除不需要的材料,从而将电路图刻在晶圆上。
在这个过程中,高纯石英环主要起到防护作用,它与石英闸门的组合可实现对腔体的密闭防护,紧密围绕在晶圆周围,防止刻蚀制造过程中的各类污染。
b、石英花篮与清洗槽:在集成电路生产中,几乎每道工序都有硅片清洗,清洗的好坏对器件性能有严重的影响。其中:
化学清洗是为了除去原子、离子不可见的污染,方法较多,有溶剂萃取、酸洗(硫酸、硝酸、王水、各种混合酸等)和等离子体法等;
超声波清洗(物理清洗)则能通过将超声波声能传入溶液,靠气蚀作用洗掉片子上的污染。
在清洗过程中需要使用耐酸耐碱的石英器件,其中负责承载硅片的是石英花篮,负责承载洗涤的则是石英清洗槽。
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