中国粉体网讯 放眼整个半导体加工行业，离不开关键材料及部件的支撑，例如，石英材料及其制品因独有的特性，在半导体工业中多个环节充当了极其重要的角色。
石英坩埚
石英坩埚具有高纯度、耐温性强、尺寸大、精度高、保温性好等优点，应用越来越广泛，在半导体、冶金、化工、电工、航空航天等工业领域受到极大青睐。尤其是在硅晶体生长过程中，石英坩埚成为了不可替代的关键部件！
来源：晶盛机电
需要注意的是，根据制备工艺及用途不同，石英坩埚又分为电弧石英坩埚和石英陶瓷坩埚。电弧石英坩埚主要用于直拉单晶硅方面，是采用电弧法制造出来（即半导体领域所用）；石英陶瓷坩埚主要用于多晶硅铸锭方面，采用的是注浆或注凝成型等一般陶瓷制备方法。
单晶硅是大规模集成电路制造中不可缺少的半导体材料。随着电路集成度的提高，超大规模集成发展迅猛，目前主流硅片已达到300mm，400mm单晶硅也已研发成功，产业化指日可待，同时更大尺寸的硅单品也仍在持续研发中。
众所周知，大直径的单晶硅（200mm以上）基本都是通过直拉（CZ）法生产的，生长如此大尺寸的硅晶体需要更多的时间和更多的资源，因此，提高每炉次硅晶体生长成功率是非常重要的。在直拉硅晶体生长过程中，由于各种原因，无位错单晶生长会失败，从而造成很大的资源和时间损失。无位错单品生长失败有多种原因，在目前直拉硅单晶炉及其热场设计都很稳定成熟的条件下，与硅熔体直接接触的石英坩埚的纯度及其生长时释放微小方石英颗粒被普遍认为是导致大直径无位错直拉晶体生长失败的主要原因之一。
换句话说，电弧石英坩埚的好坏是影响直拉单晶硅产质量的主要因素。因此，对大直径单晶硅质量要求的不断提高，对半导体材料用石英制品及相关材料提出了更高的要求，如石英砂检验、石英砂提纯、电弧熔融初检、外壁清洗、切高、倒角、清洗、涂层、烘干、终检、包装、发运等。
刻蚀机腔体、样品支架
集成电路芯片制造离不开刻蚀工艺，刻蚀是决定集成电路特征尺寸的核心技术之一。刻蚀工艺是指将经图形曝光并在半导体硅片表面的光刻胶微图形转移到光刻胶下层薄膜材料（通常为SiO2、Si3N4及沉积的金属层等薄膜）上，即选择性的刻蚀掉光刻胶下层材料上未被光刻胶掩蔽的部分。目前，刻蚀工艺主要有湿法刻蚀和干法刻蚀。
刻蚀机，来源：北方华创
针对集成电路芯硅片的刻蚀，无论采用干法或湿法刻蚀，均需在氟系气体（如CF4、C2F4、C3F8、C4F8、CHF3、C5F8、CH2F2等）或HF腐蚀液等含氟的强腐蚀性环境中完成，对刻蚀反应腔和样品支架等提出了极苛刻的要求，除了应具有高纯度外，还应具有优良的耐腐蚀性，尤其是干法刻蚀工艺腐蚀速率更快。早期，日本采用氧化铝陶瓷、钇铝石榴石和氮化铝陶瓷等材料作为刻蚀用辅材，但是上述材料制造用原料纯度有限、可加工性差，而且陶瓷类材料存在晶粒，被腐蚀脱落过程会污染半导体芯硅片，进而降低芯硅片刻蚀的成品率等。针对上述问题，日本和德国等厂商均提出利用石英材料制作刻蚀反应腔和样品支架等。
但是，普通石英玻璃材料甚至是一般的高纯石英玻璃也不能胜任。因为电熔、气炼、连熔、CVD或PCVD等工艺技术制备的单一组分高纯石英玻璃材料，在氟系气体或HF腐蚀液等强腐蚀性和高温环境中均会被快速腐蚀破坏，无法满足半导体刻蚀的应用要求，因此集成电路刻蚀过程必须使用耐腐蚀性的石英玻璃材料及制品。
在此方面，目前德国贺利氏和日本东曹石英等公司技术较为领先，具备批量生产抗腐蚀、耐久性石英玻璃的能力，并已广泛应用于半导体的刻蚀等工艺过程。日本东曹石英公司研究了在高纯石英粉中掺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族元素中的一种以上元素的单掺或共掺）获得掺杂混合料，再通过电熔或气炼熔制该掺杂混合料制得耐久性石英玻璃，其腐蚀耐久性原理是Al和元素M的氟化物的沸点或升华温度对SiF4的沸点或升华温度高，故在氟系气体及等离子体环境下刻蚀时石英玻璃表面上浓缩添加元素的氧化物或氟化物，起到如同有保护膜的作用，从而提高石英玻璃的腐蚀耐久性。
扩散属于高温领域，要求耐高温石英材料
在半导体工业领域中，除了在拉制单晶硅及刻蚀环节外，用量较大的石英制品是扩散、氧化、退火等高温工艺中所使用的石英炉管及石英舟等。
扩散的主要用途是在高温条件下对半导体晶圆进行掺杂，即将元素磷、硼扩散入硅片，从而改变和控制半导体内杂质的类型、浓度和分布，以便建立起不同的电特性区域。采用不同的掺杂工艺，通过扩散作用，将P型半导体与N型半导体制作在同一块半导体硅片上。半导体中的扩散属于三种输送现象（质量传输、热传递和动量传输）中的质量传输，需要在850℃以上的高温环境下，效应才够明显；而据贺利氏披露，卧式炉的扩散、氧化和退火工序需要在高温环境下（>1150℃）也能保持温度稳定性能的特种石英材料。
小结
除以上应用外，作为一种关键材料及部件，石英制品可用于半导体加工全过程。例如，石英管在半导体批量炉加工中被用作高纯反应腔室、气体或液体入口或运输管路；石英棒可用于制造船体、晶圆载体和基座；石英板可用于制造批量加工设备领域中的舟、基座、晶圆和晶圆载体。在单片加工设备中，板材被用来制作窗口、气体分布板、喷淋板、晶圆载体和载盘。
图片来源：贺利氏
此外，由于石英玻璃折射率低，耐温性强，能够满足掩膜版对于基版材料光学透过率高，热膨胀率低的要求，是高精度玻璃掩膜版的重要材料。
参考来源：
[1]聂兰舰等.半导体刻蚀用耐久性石英玻璃制备及发展现状
[2]兴业证券.半导体产业链关键材料之石英产业专题报告
[3]中国粉体网
（中国粉体网编辑整理/山川）
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