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连云港弘康石英制品有限公司

半导体用石英材料知识

点击:发布日期:2020/4/4

石英制品的杂质分类

石英制品制造商通?;岚言又拾凑詹煌挠τ没肪辰蟹掷?,大体可以分为可见杂质(气泡、气线、色点、生料粒)、重金属、碱金属、羟基这四个方面。

对于可见杂质,我认为除了气泡以外,确实合格石英制品中*不可以存在的,色点和生料粒的存在,实际就是证明了产品的不合格,任何一个厂家都应该禁止让这样的产品流入市场。

气泡存在不同的检测标准,无论是什么工艺制取,都不可避免的存在一些气泡,行业内的要求,通常是要求小于直径0.5毫米大于0.1毫米,总量不超过每立方厘米3个,禁止存在破皮气泡,小于直径0.1毫米的气泡,我们在自然光环境下凭肉眼是不能发现的。

这就衍生出了两套完全不同的气泡检测标准,自然光下和强光灯下。个人认为,大直径气泡会影响制品机械强度,甚至在升温时发生破皮或炸裂,而小尺寸气泡对于使用的影响微乎其微,在选择材料的时候,尽量选择自然光下无可见气泡的产品。

半导体工艺中,比较关注产品中诸如钾、钠、锂等碱金属的总体含量。因为碱金属的活跃特点,造成他们是半导体制程中的*敌人,一旦石英制品碱金属含量较高,会直接造成半导体产品的污染和失效。目前在半导体行业比较通行的GE-214产品,对钾钠锂三项元素含量都有小于0.6-0.7ppm的要求,碱金属总和应该小于2ppm。

通过我对国内石英制品市场的了解,发现在碱金属的控制方面,各个厂商的水平差异很大,而半导体行业对于污染的耐受能力也远远超过了我的想象。

国内某*电力电子企业,其应用于扩散工艺的闭扩管,经过我们客观准确的化学分析,发现钾钠两种元素的总含量超过4ppm,充气尾管的碱金属总含量超过30ppm,而就是这么严重的污染环境中,扩散工艺并没有受到任何干扰,半导体产品能够满足设计功能和寿命,完全满足需求。

从事半导体行业的朋友们可能都非常清楚,所谓电力电子行业,PN结的厚度不同于常规的半导体工艺要求,往往需要更高的温度(1250摄氏度)和更长的时间(20-40小时),我现在非常关心的是,半导体扩散工艺中对于载具、管道碱金属总量的苛刻要求到底是不是必要的呢?

重金属部分,往往不会危害半导体类产品的制程。如果使用铝含量较高的石英管道和载具,该器具的耐高温特性还会大大增强,我们做过相关的技术试验,GE-214产品的铝含量小于14ppm,在1125摄氏度4小时即消除应力(我们叫应变点),GE-244产品铝含量小于8ppm,应变点低于214产品10摄氏度,国产粉料相同工艺成品,铝含量30ppm的产品,应变点可以提高到1260摄氏度,1250摄氏度保持4小时应力仍旧存在。

我们的结论是,铝含量越高,耐温性越好。最近看到一位朋友的帖子,说是石英管在1256摄氏度工作40小时,变形严重的问题,通常材料和通常工艺,1250摄氏度的温度环境下,石英材料15分钟就开始软化变形了,40小时塌陷严重是再正常不过的事情了。

我对他的建议有两条,首先是选择正规厂家的高铝低碱管材,第二是采用三氧化二铝的喷涂工艺,都会有效提高石英制品的热特性,如果有机会采购30ppm以上铝含量的管子,外加喷涂工艺的话,应该可以实现长期使用不出问题。

在这个方面,我也可以举些实例来证明,例如某高温扩散工艺的企业,最初采用GE-214材料,铝含量低于14ppm,结果是晶圆会粘连到管道上,而形成崩边。

另外一个方面,我也有一些个人的建议,供参考,部分厂家采用闭扩工艺,炉管内不用石英舟承载,而是选择闭扩管+石英环的方式进行扩散,因为闭扩管内存在气压又完全密闭,利用气压来支撑管道,可以有效缓解甚至是杜绝变形。

另外,如果没有将工艺调整成闭扩的条件,最可靠的做法肯定是采用sic管道和载具,sic的热特性足足比SIO2产品提高了1000摄氏度,1730摄氏度时石英已经融化成软面团,而sic仍旧能够保证没有变形,*缺点就是造价较高。

羟基部分,可能半导体行业的用户普遍不是非常重视,这部分我也想详细的介绍介绍。由于将石英砂加工成玻璃体的工艺不太相同,羟基含量悬殊非常的大,半导体行业应用最多的气炼法取得的石英材料,往往会存在150-300ppm的羟基,羟基含量对于石英材料的影响主要来自两个方面。

首先,高羟基材料中的羟基在高温环境中会形成羟基团,有效的将半导体工艺中危害较大的碱金属包裹起来,阻止其污染晶圆。

另一个方面,羟基因为改变了sio2的键合结构,降低了材料的热稳定性,造成石英制品的耐温性能大幅降低,通常羟基含量超过200ppm的石英材料,1050摄氏度即开始软化变形,低于低羟基产品100余摄氏度。气炼法制取的石英材料,也可以通过真空电阻炉加热的方式进行脱羟,比如GE即可通过脱羟工艺将产品中羟基含量降低到1ppm以下。

个人意见,如果是低温区间的半导体工艺,可以无视羟基的存在,但是,高温半导体工艺(1000摄氏度以上)应该考虑羟基对于材料造成的实际影响,应该选择经过脱羟处理的材料来使用。也可以选择气炼法以外的加工工艺制取的石英材料。

参考石英制品的行业标准,对于半导体用石英制品的羟基含量是有一些具体要求的,行业标准中将半导体行业使用的石英材料分为T级和B级两个档次,对于羟基的含量要求控制在30-50ppm以内。现在的半导体行业实际使用的产品普遍严重超过行业标准的要求。

石英材料的制取工艺分类

电熔法工艺,又可以分为真空电容、两步法、连续熔制等具体方法,原理就是通过电为动力来源,通过电阻、电弧、中频感应等方式加热,熔融粉料而制取石英玻璃的工艺,优点是效率较高,缺点是有接触熔制工艺造成的金属污染和快速熔融过程中形成的气泡气线无法有效祛除,所以该方案主要应用于照明用电光源行业。

气炼法工艺,可细分为一次成型的一步法及气炼制砣、电熔加工的两步法等,一步法的工艺特点是粉料玻璃化的程度偏低,产品的耐高温特性较好,缺点是外观较差,可见明显的沟渠样环纹,由于采用氢氧焰作为热动力,气炼法制取材料的羟基含量普遍较高。

如何选择自己需要的石英材料

选择石英材料无外乎从三个方面进行,首先是杂质含量,这一点,可以委托供应商提供样品,进行化学纯度分析,可以直接获得13种杂质含量的具体数据,再将数据与工艺要求的数据进行比对,如果超标则不可选择。

其次是要根据应用特点选择不同的工艺制程。光纤行业要求石英材料的红外透过能力,只能选择高纯进口粉料+等离子制砣工艺制取的石英材料,或采用化学合成工艺制取的合成石英材料;半导体工艺尽量选择气炼法或等离子法取得的材料,电光源等低价值应用本身不要求石英材料的高纯度,所以可以选择低价值的电熔法材料。

外观

*是比较外观,半导体行业中使用的石英制品,外观指两个方面,*是产品的加工精度和产品的材料水平,石英舟类的自动倒片的晶圆载具,如果工艺尺寸上与设备要求不符,机器开动之后就是哗啦啦的晶圆破碎;

一台石英舟拿在手里,棒材、管材上布满了气泡、色斑,这样的载具谁敢用?第二是产品的热加工工艺,技艺高超的热加工技师就好比是生活中的艺术家,他应该是力求完美的,绝不会把勉强凑合到一起的几块材料拿给用户。细节部分,我们可以仔细观察产品的焊缝是否平直、连接部是否美观大方等等。

对于部分半导体行业厂家,非GE-214或贺利氏100不考虑的要求,我个人是持反对意见的,首先这两种材料的总碱金属含量普遍在2ppm左右,国产高纯材料在这方面可以实现1ppm以下的水平,国产材料铝含量相对要高于进口同类产品一倍,耐温性能有很大程度的提高,而且就扩散工艺中石英材料“吃铝”的现象来说,国产材料相对进口材料会有所缓解。

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