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        連云港弘康石英制品有限公司

        半導體用石英材料知識

        點擊:發布日期:2020/4/4

        石英制品的雜質分類

        石英制品制造商通常會把雜質按照不同的應用環境進行分類,大體可以分為可見雜質(氣泡、氣線、色點、生料粒)、重金屬、堿金屬、羥基這四個方面。

        對于可見雜質,我認為除了氣泡以外,確實合格石英制品中*不可以存在的,色點和生料粒的存在,實際就是證明了產品的不合格,任何一個廠家都應該禁止讓這樣的產品流入市場。

        氣泡存在不同的檢測標準,無論是什么工藝制取,都不可避免的存在一些氣泡,行業內的要求,通常是要求小于直徑0.5毫米大于0.1毫米,總量不超過每立方厘米3個,禁止存在破皮氣泡,小于直徑0.1毫米的氣泡,我們在自然光環境下憑肉眼是不能發現的。

        這就衍生出了兩套完全不同的氣泡檢測標準,自然光下和強光燈下。個人認為,大直徑氣泡會影響制品機械強度,甚至在升溫時發生破皮或炸裂,而小尺寸氣泡對于使用的影響微乎其微,在選擇材料的時候,盡量選擇自然光下無可見氣泡的產品。

        半導體工藝中,比較關注產品中諸如鉀、鈉、鋰等堿金屬的總體含量。因為堿金屬的活躍特點,造成他們是半導體制程中的*敵人,一旦石英制品堿金屬含量較高,會直接造成半導體產品的污染和失效。目前在半導體行業比較通行的GE-214產品,對鉀鈉鋰三項元素含量都有小于0.6-0.7ppm的要求,堿金屬總和應該小于2ppm。

        通過我對國內石英制品市場的了解,發現在堿金屬的控制方面,各個廠商的水平差異很大,而半導體行業對于污染的耐受能力也遠遠超過了我的想象。

        國內某*電力電子企業,其應用于擴散工藝的閉擴管,經過我們客觀準確的化學分析,發現鉀鈉兩種元素的總含量超過4ppm,充氣尾管的堿金屬總含量超過30ppm,而就是這么嚴重的污染環境中,擴散工藝并沒有受到任何干擾,半導體產品能夠滿足設計功能和壽命,完全滿足需求。

        從事半導體行業的朋友們可能都非常清楚,所謂電力電子行業,PN結的厚度不同于常規的半導體工藝要求,往往需要更高的溫度(1250攝氏度)和更長的時間(20-40小時),我現在非常關心的是,半導體擴散工藝中對于載具、管道堿金屬總量的苛刻要求到底是不是必要的呢?

        重金屬部分,往往不會危害半導體類產品的制程。如果使用鋁含量較高的石英管道和載具,該器具的耐高溫特性還會大大增強,我們做過相關的技術試驗,GE-214產品的鋁含量小于14ppm,在1125攝氏度4小時即消除應力(我們叫應變點),GE-244產品鋁含量小于8ppm,應變點低于214產品10攝氏度,國產粉料相同工藝成品,鋁含量30ppm的產品,應變點可以提高到1260攝氏度,1250攝氏度保持4小時應力仍舊存在。

        我們的結論是,鋁含量越高,耐溫性越好。最近看到一位朋友的帖子,說是石英管在1256攝氏度工作40小時,變形嚴重的問題,通常材料和通常工藝,1250攝氏度的溫度環境下,石英材料15分鐘就開始軟化變形了,40小時塌陷嚴重是再正常不過的事情了。

        我對他的建議有兩條,首先是選擇正規廠家的高鋁低堿管材,第二是采用三氧化二鋁的噴涂工藝,都會有效提高石英制品的熱特性,如果有機會采購30ppm以上鋁含量的管子,外加噴涂工藝的話,應該可以實現長期使用不出問題。

        在這個方面,我也可以舉些實例來證明,例如某高溫擴散工藝的企業,最初采用GE-214材料,鋁含量低于14ppm,結果是晶圓會粘連到管道上,而形成崩邊。

        另外一個方面,我也有一些個人的建議,供參考,部分廠家采用閉擴工藝,爐管內不用石英舟承載,而是選擇閉擴管+石英環的方式進行擴散,因為閉擴管內存在氣壓又完全密閉,利用氣壓來支撐管道,可以有效緩解甚至是杜絕變形。

        另外,如果沒有將工藝調整成閉擴的條件,最可靠的做法肯定是采用sic管道和載具,sic的熱特性足足比SIO2產品提高了1000攝氏度,1730攝氏度時石英已經融化成軟面團,而sic仍舊能夠保證沒有變形,*缺點就是造價較高。

        羥基部分,可能半導體行業的用戶普遍不是非常重視,這部分我也想詳細的介紹介紹。由于將石英砂加工成玻璃體的工藝不太相同,羥基含量懸殊非常的大,半導體行業應用最多的氣煉法取得的石英材料,往往會存在150-300ppm的羥基,羥基含量對于石英材料的影響主要來自兩個方面。

        首先,高羥基材料中的羥基在高溫環境中會形成羥基團,有效的將半導體工藝中危害較大的堿金屬包裹起來,阻止其污染晶圓。

        另一個方面,羥基因為改變了sio2的鍵合結構,降低了材料的熱穩定性,造成石英制品的耐溫性能大幅降低,通常羥基含量超過200ppm的石英材料,1050攝氏度即開始軟化變形,低于低羥基產品100余攝氏度。氣煉法制取的石英材料,也可以通過真空電阻爐加熱的方式進行脫羥,比如GE即可通過脫羥工藝將產品中羥基含量降低到1ppm以下。

        個人意見,如果是低溫區間的半導體工藝,可以無視羥基的存在,但是,高溫半導體工藝(1000攝氏度以上)應該考慮羥基對于材料造成的實際影響,應該選擇經過脫羥處理的材料來使用。也可以選擇氣煉法以外的加工工藝制取的石英材料。

        參考石英制品的行業標準,對于半導體用石英制品的羥基含量是有一些具體要求的,行業標準中將半導體行業使用的石英材料分為T級和B級兩個檔次,對于羥基的含量要求控制在30-50ppm以內。現在的半導體行業實際使用的產品普遍嚴重超過行業標準的要求。

        石英材料的制取工藝分類

        電熔法工藝,又可以分為真空電容、兩步法、連續熔制等具體方法,原理就是通過電為動力來源,通過電阻、電弧、中頻感應等方式加熱,熔融粉料而制取石英玻璃的工藝,優點是效率較高,缺點是有接觸熔制工藝造成的金屬污染和快速熔融過程中形成的氣泡氣線無法有效祛除,所以該方案主要應用于照明用電光源行業。

        氣煉法工藝,可細分為一次成型的一步法及氣煉制砣、電熔加工的兩步法等,一步法的工藝特點是粉料玻璃化的程度偏低,產品的耐高溫特性較好,缺點是外觀較差,可見明顯的溝渠樣環紋,由于采用氫氧焰作為熱動力,氣煉法制取材料的羥基含量普遍較高。

        如何選擇自己需要的石英材料

        選擇石英材料無外乎從三個方面進行,首先是雜質含量,這一點,可以委托供應商提供樣品,進行化學純度分析,可以直接獲得13種雜質含量的具體數據,再將數據與工藝要求的數據進行比對,如果超標則不可選擇。

        其次是要根據應用特點選擇不同的工藝制程。光纖行業要求石英材料的紅外透過能力,只能選擇高純進口粉料+等離子制砣工藝制取的石英材料,或采用化學合成工藝制取的合成石英材料;半導體工藝盡量選擇氣煉法或等離子法取得的材料,電光源等低價值應用本身不要求石英材料的高純度,所以可以選擇低價值的電熔法材料。

        外觀

        *是比較外觀,半導體行業中使用的石英制品,外觀指兩個方面,*是產品的加工精度和產品的材料水平,石英舟類的自動倒片的晶圓載具,如果工藝尺寸上與設備要求不符,機器開動之后就是嘩啦啦的晶圓破碎;

        一臺石英舟拿在手里,棒材、管材上布滿了氣泡、色斑,這樣的載具誰敢用?第二是產品的熱加工工藝,技藝高超的熱加工技師就好比是生活中的藝術家,他應該是力求完美的,絕不會把勉強湊合到一起的幾塊材料拿給用戶。細節部分,我們可以仔細觀察產品的焊縫是否平直、連接部是否美觀大方等等。

        對于部分半導體行業廠家,非GE-214或賀利氏100不考慮的要求,我個人是持反對意見的,首先這兩種材料的總堿金屬含量普遍在2ppm左右,國產高純材料在這方面可以實現1ppm以下的水平,國產材料鋁含量相對要高于進口同類產品一倍,耐溫性能有很大程度的提高,而且就擴散工藝中石英材料“吃鋁”的現象來說,國產材料相對進口材料會有所緩解。

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