石英制品的雜質(zhì)分類

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

對于可見雜質(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，任何一個廠家都應(yīng)該禁止讓這樣的產(chǎn)品流入市場。

氣泡存在不同的檢測標(biāo)準(zhǔn)，無論是什么工藝制取，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(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標(biāo)準(zhǔn)，自然光下和強(qiáng)光燈下。個人認(rèn)為，大直徑氣泡會影響制品機(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可見氣泡的產(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。

通過我對國內(nèi)石英制品市場的了解，發(fā)現(xiàn)在堿金屬的控制方面，各個廠商的水平差異很大，而半導(dǎo)體行業(yè)對于污染的耐受能力也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了我的想象。

國內(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4ppm，充氣尾管的堿金屬總含量超過30ppm，而就是這么嚴(yán)重的污染環(huán)境中，擴(kuò)散工藝并沒有受到任何干擾，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(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大大增強(qiáng)，我們做過相關(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，說是石英管在1256攝氏度工作40小時(shí)，變形嚴(yán)重的問題，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分鐘就開始軟化變形了，40小時(shí)塌陷嚴(yán)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(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，都會有效提高石英制品的熱特性，如果有機(jī)會采購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)長期使用不出問題。

在這個方面，我也可以舉些實(shí)例來證明，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(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(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(huán)境中會形成羥基團(tuán)，有效的將半導(dǎo)體工藝中危害較大的堿金屬包裹起來，阻止其污染晶圓。

另一個方面，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200ppm的石英材料，1050攝氏度即開始軟化變形，低于低羥基產(chǎn)品100余攝氏度。氣煉法制取的石英材料，也可以通過真空電阻爐加熱的方式進(jìn)行脫羥，比如GE即可通過脫羥工藝將產(chǎn)品中羥基含量降低到1ppm以下。

個人意見，如果是低溫區(qū)間的半導(dǎo)體工藝，可以無視羥基的存在，但是，高溫半導(dǎo)體工藝（1000攝氏度以上）應(yīng)該考慮羥基對于材料造成的實(shí)際影響，應(yīng)該選擇經(jīng)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(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對于半導(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級和B級兩個檔次，對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，原理就是通過電為動力來源，通過電阻、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程中形成的氣泡氣線無法有效祛除，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，可見明顯的溝渠樣環(huán)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(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，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(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(chǎn)高純材料在這方面可以實(shí)現(xiàn)1ppm以下的水平，國產(chǎn)材料鋁含量相對要高于進(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)象來說，國產(chǎn)材料相對進(jìn)口材料會有所緩解。