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連云港弘康石英制品有限公司

半導(dǎo)體用石英材料知識(shí)

點(diǎn)擊:發(fā)布日期:2020/4/4

石英制品的雜質(zhì)分類

石英制品制造商通常會(huì)把雜質(zhì)按照不同的應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行分類,大體可以分為可見(jiàn)雜質(zhì)(氣泡、氣線、色點(diǎn)、生料粒)、重金屬、堿金屬、羥基這四個(gè)方面。

對(duì)于可見(jiàn)雜質(zhì),我認(rèn)為除了氣泡以外,確實(shí)合格石英制品中*不可以存在的,色點(diǎn)和生料粒的存在,實(shí)際就是證明了產(chǎn)品的不合格,任何一個(gè)廠家都應(yīng)該禁止讓這樣的產(chǎn)品流入市場(chǎng)。

氣泡存在不同的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn),無(wú)論是什么工藝制取,都不可避免的存在一些氣泡,行業(yè)內(nèi)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(guò)每立方厘米3個(gè),禁止存在破皮氣泡,小于直徑0.1毫米的氣泡,我們?cè)谧匀还猸h(huán)境下憑肉眼是不能發(fā)現(xiàn)的。

這就衍生出了兩套完全不同的氣泡檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn),自然光下和強(qiáng)光燈下。個(gè)人認(rèn)為,大直徑氣泡會(huì)影響制品機(jī)械強(qiáng)度,甚至在升溫時(shí)發(fā)生破皮或炸裂,而小尺寸氣泡對(duì)于使用的影響微乎其微,在選擇材料的時(shí)候,盡量選擇自然光下無(wú)可見(jiàn)氣泡的產(chǎn)品。

半導(dǎo)體工藝中,比較關(guān)注產(chǎn)品中諸如鉀、鈉、鋰等堿金屬的總體含量。因?yàn)閴A金屬的活躍特點(diǎn),造成他們是半導(dǎo)體制程中的*敵人,一旦石英制品堿金屬含量較高,會(huì)直接造成半導(dǎo)體產(chǎn)品的污染和失效。目前在半導(dǎo)體行業(yè)比較通行的GE-214產(chǎn)品,對(duì)鉀鈉鋰三項(xiàng)元素含量都有小于0.6-0.7ppm的要求,堿金屬總和應(yīng)該小于2ppm。

通過(guò)我對(duì)國(guó)內(nèi)石英制品市場(chǎng)的了解,發(fā)現(xiàn)在堿金屬的控制方面,各個(gè)廠商的水平差異很大,而半導(dǎo)體行業(yè)對(duì)于污染的耐受能力也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了我的想象。

國(guó)內(nèi)某*電力電子企業(yè),其應(yīng)用于擴(kuò)散工藝的閉擴(kuò)管,經(jīng)過(guò)我們客觀準(zhǔn)確的化學(xué)分析,發(fā)現(xiàn)鉀鈉兩種元素的總含量超過(guò)4ppm,充氣尾管的堿金屬總含量超過(guò)30ppm,而就是這么嚴(yán)重的污染環(huán)境中,擴(kuò)散工藝并沒(méi)有受到任何干擾,半導(dǎo)體產(chǎn)品能夠滿足設(shè)計(jì)功能和壽命,完全滿足需求。

從事半導(dǎo)體行業(yè)的朋友們可能都非常清楚,所謂電力電子行業(yè),PN結(jié)的厚度不同于常規(guī)的半導(dǎo)體工藝要求,往往需要更高的溫度(1250攝氏度)和更長(zhǎng)的時(shí)間(20-40小時(shí)),我現(xiàn)在非常關(guān)心的是,半導(dǎo)體擴(kuò)散工藝中對(duì)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(huì)危害半導(dǎo)體類產(chǎn)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(huì)大大增強(qiáng),我們做過(guò)相關(guān)的技術(shù)試驗(yàn),GE-214產(chǎn)品的鋁含量小于14ppm,在1125攝氏度4小時(shí)即消除應(yīng)力(我們叫應(yīng)變點(diǎn)),GE-244產(chǎn)品鋁含量小于8ppm,應(yīng)變點(diǎn)低于214產(chǎn)品10攝氏度,國(guó)產(chǎn)粉料相同工藝成品,鋁含量30ppm的產(chǎn)品,應(yīng)變點(diǎn)可以提高到1260攝氏度,1250攝氏度保持4小時(shí)應(yīng)力仍舊存在。

我們的結(jié)論是,鋁含量越高,耐溫性越好。最近看到一位朋友的帖子,說(shuō)是石英管在1256攝氏度工作40小時(shí),變形嚴(yán)重的問(wèn)題,通常材料和通常工藝,1250攝氏度的溫度環(huán)境下,石英材料15分鐘就開(kāi)始軟化變形了,40小時(shí)塌陷嚴(yán)重是再正常不過(guò)的事情了。

我對(duì)他的建議有兩條,首先是選擇正規(guī)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(huì)有效提高石英制品的熱特性,如果有機(jī)會(huì)采購(gòu)30ppm以上鋁含量的管子,外加噴涂工藝的話,應(yīng)該可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期使用不出問(wèn)題。

在這個(gè)方面,我也可以舉些實(shí)例來(lái)證明,例如某高溫?cái)U(kuò)散工藝的企業(yè),最初采用GE-214材料,鋁含量低于14ppm,結(jié)果是晶圓會(huì)粘連到管道上,而形成崩邊。

另外一個(gè)方面,我也有一些個(gè)人的建議,供參考,部分廠家采用閉擴(kuò)工藝,爐管內(nèi)不用石英舟承載,而是選擇閉擴(kuò)管+石英環(huán)的方式進(jìn)行擴(kuò)散,因?yàn)殚]擴(kuò)管內(nèi)存在氣壓又完全密閉,利用氣壓來(lái)支撐管道,可以有效緩解甚至是杜絕變形。

另外,如果沒(méi)有將工藝調(diào)整成閉擴(kuò)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(chǎn)品提高了1000攝氏度,1730攝氏度時(shí)石英已經(jīng)融化成軟面團(tuán),而sic仍舊能夠保證沒(méi)有變形,*缺點(diǎn)就是造價(jià)較高。

羥基部分,可能半導(dǎo)體行業(yè)的用戶普遍不是非常重視,這部分我也想詳細(xì)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(dǎo)體行業(yè)應(yīng)用最多的氣煉法取得的石英材料,往往會(huì)存在150-300ppm的羥基,羥基含量對(duì)于石英材料的影響主要來(lái)自兩個(gè)方面。

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

另一個(gè)方面,羥基因?yàn)楦淖兞藄io2的鍵合結(jié)構(gòu),降低了材料的熱穩(wěn)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(guò)200ppm的石英材料,1050攝氏度即開(kāi)始軟化變形,低于低羥基產(chǎn)品100余攝氏度。氣煉法制取的石英材料,也可以通過(guò)真空電阻爐加熱的方式進(jìn)行脫羥,比如GE即可通過(guò)脫羥工藝將產(chǎn)品中羥基含量降低到1ppm以下。

個(gè)人意見(jiàn),如果是低溫區(qū)間的半導(dǎo)體工藝,可以無(wú)視羥基的存在,但是,高溫半導(dǎo)體工藝(1000攝氏度以上)應(yīng)該考慮羥基對(duì)于材料造成的實(shí)際影響,應(yīng)該選擇經(jīng)過(guò)脫羥處理的材料來(lái)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(yè)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)于半導(dǎo)體用石英制品的羥基含量是有一些具體要求的,行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中將半導(dǎo)體行業(yè)使用的石英材料分為T級(jí)和B級(jí)兩個(gè)檔次,對(duì)于羥基的含量要求控制在30-50ppm以內(nèi)。現(xiàn)在的半導(dǎo)體行業(yè)實(shí)際使用的產(chǎn)品普遍嚴(yán)重超過(guò)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(xù)熔制等具體方法,原理就是通過(guò)電為動(dòng)力來(lái)源,通過(guò)電阻、電弧、中頻感應(yīng)等方式加熱,熔融粉料而制取石英玻璃的工藝,優(yōu)點(diǎn)是效率較高,缺點(diǎn)是有接觸熔制工藝造成的金屬污染和快速熔融過(guò)程中形成的氣泡氣線無(wú)法有效祛除,所以該方案主要應(yīng)用于照明用電光源行業(yè)。

氣煉法工藝,可細(xì)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(diǎn)是粉料玻璃化的程度偏低,產(chǎn)品的耐高溫特性較好,缺點(diǎn)是外觀較差,可見(jiàn)明顯的溝渠樣環(huán)紋,由于采用氫氧焰作為熱動(dòng)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(wú)外乎從三個(gè)方面進(jìn)行,首先是雜質(zhì)含量,這一點(diǎn),可以委托供應(yīng)商提供樣品,進(jìn)行化學(xué)純度分析,可以直接獲得13種雜質(zhì)含量的具體數(shù)據(jù),再將數(shù)據(jù)與工藝要求的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì),如果超標(biāo)則不可選擇。

其次是要根據(jù)應(yīng)用特點(diǎn)選擇不同的工藝制程。光纖行業(yè)要求石英材料的紅外透過(guò)能力,只能選擇高純進(jìn)口粉料+等離子制砣工藝制取的石英材料,或采用化學(xué)合成工藝制取的合成石英材料;半導(dǎo)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(jià)值應(yīng)用本身不要求石英材料的高純度,所以可以選擇低價(jià)值的電熔法材料。

外觀

*是比較外觀,半導(dǎo)體行業(yè)中使用的石英制品,外觀指兩個(gè)方面,*是產(chǎn)品的加工精度和產(chǎn)品的材料水平,石英舟類的自動(dòng)倒片的晶圓載具,如果工藝尺寸上與設(shè)備要求不符,機(jī)器開(kāi)動(dòng)之后就是嘩啦啦的晶圓破碎;

一臺(tái)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(shuí)敢用?第二是產(chǎn)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(shù)家,他應(yīng)該是力求完美的,絕不會(huì)把勉強(qiáng)湊合到一起的幾塊材料拿給用戶。細(xì)節(jié)部分,我們可以仔細(xì)觀察產(chǎn)品的焊縫是否平直、連接部是否美觀大方等等。

對(duì)于部分半導(dǎo)體行業(yè)廠家,非GE-214或賀利氏100不考慮的要求,我個(gè)人是持反對(duì)意見(jiàn)的,首先這兩種材料的總堿金屬含量普遍在2ppm左右,國(guó)產(chǎn)高純材料在這方面可以實(shí)現(xiàn)1ppm以下的水平,國(guó)產(chǎn)材料鋁含量相對(duì)要高于進(jìn)口同類產(chǎn)品一倍,耐溫性能有很大程度的提高,而且就擴(kuò)散工藝中石英材料“吃鋁”的現(xiàn)象來(lái)說(shuō),國(guó)產(chǎn)材料相對(duì)進(jìn)口材料會(huì)有所緩解。

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