中國粉體網訊 放眼整個半導體加工行業，離不開關鍵材料及部件的支撐，例如，石英材料及其制品因獨有的特性，在半導體工業中多個環節充當了極其重要的角色。
石英坩堝
石英坩堝具有高純度、耐溫性強、尺寸大、精度高、保溫性好等優點，應用越來越廣泛，在半導體、冶金、化工、電工、航空航天等工業領域受到極大青睞。尤其是在硅晶體生長過程中，石英坩堝成為了不可替代的關鍵部件！
來源：晶盛機電
需要注意的是，根據制備工藝及用途不同，石英坩堝又分為電弧石英坩堝和石英陶瓷坩堝。電弧石英坩堝主要用于直拉單晶硅方面，是采用電弧法制造出來（即半導體領域所用）；石英陶瓷坩堝主要用于多晶硅鑄錠方面，采用的是注漿或注凝成型等一般陶瓷制備方法。
單晶硅是大規模集成電路制造中不可缺少的半導體材料。隨著電路集成度的提高，超大規模集成發展迅猛，目前主流硅片已達到300mm，400mm單晶硅也已研發成功，產業化指日可待，同時更大尺寸的硅單品也仍在持續研發中。
眾所周知，大直徑的單晶硅（200mm以上）基本都是通過直拉（CZ）法生產的，生長如此大尺寸的硅晶體需要更多的時間和更多的資源，因此，提高每爐次硅晶體生長成功率是非常重要的。在直拉硅晶體生長過程中，由于各種原因，無位錯單晶生長會失敗，從而造成很大的資源和時間損失。無位錯單品生長失敗有多種原因，在目前直拉硅單晶爐及其熱場設計都很穩定成熟的條件下，與硅熔體直接接觸的石英坩堝的純度及其生長時釋放微小方石英顆粒被普遍認為是導致大直徑無位錯直拉晶體生長失敗的主要原因之一。
換句話說，電弧石英坩堝的好壞是影響直拉單晶硅產質量的主要因素。因此，對大直徑單晶硅質量要求的不斷提高，對半導體材料用石英制品及相關材料提出了更高的要求，如石英砂檢驗、石英砂提純、電弧熔融初檢、外壁清洗、切高、倒角、清洗、涂層、烘干、終檢、包裝、發運等。
刻蝕機腔體、樣品支架
集成電路芯片制造離不開刻蝕工藝，刻蝕是決定集成電路特征尺寸的核心技術之一。刻蝕工藝是指將經圖形曝光并在半導體硅片表面的光刻膠微圖形轉移到光刻膠下層薄膜材料（通常為SiO2、Si3N4及沉積的金屬層等薄膜）上，即選擇性的刻蝕掉光刻膠下層材料上未被光刻膠掩蔽的部分。目前，刻蝕工藝主要有濕法刻蝕和干法刻蝕。
刻蝕機，來源：北方華創
針對集成電路芯硅片的刻蝕，無論采用干法或濕法刻蝕，均需在氟系氣體（如CF4、C2F4、C3F8、C4F8、CHF3、C5F8、CH2F2等）或HF腐蝕液等含氟的強腐蝕性環境中完成，對刻蝕反應腔和樣品支架等提出了極苛刻的要求，除了應具有高純度外，還應具有優良的耐腐蝕性，尤其是干法刻蝕工藝腐蝕速率更快。早期，日本采用氧化鋁陶瓷、釔鋁石榴石和氮化鋁陶瓷等材料作為刻蝕用輔材，但是上述材料制造用原料純度有限、可加工性差，而且陶瓷類材料存在晶粒，被腐蝕脫落過程會污染半導體芯硅片，進而降低芯硅片刻蝕的成品率等。針對上述問題，日本和德國等廠商均提出利用石英材料制作刻蝕反應腔和樣品支架等。
但是，普通石英玻璃材料甚至是一般的高純石英玻璃也不能勝任。因為電熔、氣煉、連熔、CVD或PCVD等工藝技術制備的單一組分高純石英玻璃材料，在氟系氣體或HF腐蝕液等強腐蝕性和高溫環境中均會被快速腐蝕破壞，無法滿足半導體刻蝕的應用要求，因此集成電路刻蝕過程必須使用耐腐蝕性的石英玻璃材料及制品。
在此方面，目前德國賀利氏和日本東曹石英等公司技術較為領先，具備批量生產抗腐蝕、耐久性石英玻璃的能力，并已廣泛應用于半導體的刻蝕等工藝過程。日本東曹石英公司研究了在高純石英粉中摻入一定原子百分比的Al和元素M（包括周期表第2A族元素、第3A族元素及第4A族元素中的一種以上元素的單摻或共摻）獲得摻雜混合料，再通過電熔或氣煉熔制該摻雜混合料制得耐久性石英玻璃，其腐蝕耐久性原理是Al和元素M的氟化物的沸點或升華溫度對SiF4的沸點或升華溫度高，故在氟系氣體及等離子體環境下刻蝕時石英玻璃表面上濃縮添加元素的氧化物或氟化物，起到如同有保護膜的作用，從而提高石英玻璃的腐蝕耐久性。
擴散屬于高溫領域，要求耐高溫石英材料
在半導體工業領域中，除了在拉制單晶硅及刻蝕環節外，用量較大的石英制品是擴散、氧化、退火等高溫工藝中所使用的石英爐管及石英舟等。
擴散的主要用途是在高溫條件下對半導體晶圓進行摻雜，即將元素磷、硼擴散入硅片，從而改變和控制半導體內雜質的類型、濃度和分布，以便建立起不同的電特性區域。采用不同的摻雜工藝，通過擴散作用，將P型半導體與N型半導體制作在同一塊半導體硅片上。半導體中的擴散屬于三種輸送現象（質量傳輸、熱傳遞和動量傳輸）中的質量傳輸，需要在850℃以上的高溫環境下，效應才夠明顯；而據賀利氏披露，臥式爐的擴散、氧化和退火工序需要在高溫環境下（>1150℃）也能保持溫度穩定性能的特種石英材料。
小結
除以上應用外，作為一種關鍵材料及部件，石英制品可用于半導體加工全過程。例如，石英管在半導體批量爐加工中被用作高純反應腔室、氣體或液體入口或運輸管路；石英棒可用于制造船體、晶圓載體和基座；石英板可用于制造批量加工設備領域中的舟、基座、晶圓和晶圓載體。在單片加工設備中，板材被用來制作窗口、氣體分布板、噴淋板、晶圓載體和載盤。
圖片來源：賀利氏
此外，由于石英玻璃折射率低，耐溫性強，能夠滿足掩膜版對于基版材料光學透過率高，熱膨脹率低的要求，是高精度玻璃掩膜版的重要材料。
參考來源：
[1]聶蘭艦等.半導體刻蝕用耐久性石英玻璃制備及發展現狀
[2]興業證券.半導體產業鏈關鍵材料之石英產業專題報告
[3]中國粉體網
（中國粉體網編輯整理/山川）
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