石英制品的雜質(zhì)分類(lèi)

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

對于可見(jiàn)雜質(zhì)，我認為除了氣泡以外，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(chǎng)家都應該禁止讓這樣的產(chǎn)品流入市場(chǎng)。

氣泡存在不同的檢測標準，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，我們在自然光環(huán)境下憑肉眼是不能發(fā)現的。

這就衍生出了兩套完全不同的氣泡檢測標準，自然光下和強光燈下。個(gè)人認為，大直徑氣泡會(huì )影響制品機械強度，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(wú)可見(jiàn)氣泡的產(chǎn)品。

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

通過(guò)我對國內石英制品市場(chǎng)的了解，發(fā)現在堿金屬的控制方面，各個(gè)廠(chǎng)商的水平差異很大，而半導體行業(yè)對于污染的耐受能力也遠遠超過(guò)了我的想象。

國內某*電力電子企業(yè)，其應用于擴散工藝的閉擴管，經(jīng)過(guò)我們客觀(guān)準確的化學(xué)分析，發(fā)現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，而就是這么嚴重的污染環(huán)境中，擴散工藝并沒(méi)有受到任何干擾，半導體產(chǎn)品能夠滿(mǎn)足設計功能和壽命，完全滿(mǎn)足需求。

從事半導體行業(yè)的朋友們可能都非常清楚，所謂電力電子行業(yè)，PN結的厚度不同于常規的半導體工藝要求，往往需要更高的溫度（1250攝氏度）和更長(cháng)的時(shí)間（20-40小時(shí)），我現在非常關(guān)心的是，半導體擴散工藝中對于載具、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(huì )危害半導體類(lèi)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，我們做過(guò)相關(guān)的技術(shù)試驗，GE-214產(chǎn)品的鋁含量小于14ppm，在1125攝氏度4小時(shí)即消除應力（我們叫應變點(diǎn)），GE-244產(chǎn)品鋁含量小于8ppm，應變點(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，應變點(diǎn)可以提高到1260攝氏度，1250攝氏度保持4小時(shí)應力仍舊存在。

我們的結論是，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)塌陷嚴重是再正常不過(guò)的事情了。

我對他的建議有兩條，首先是選擇正規廠(chǎng)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，如果有機會(huì )采購30ppm以上鋁含量的管子，外加噴涂工藝的話(huà)，應該可以實(shí)現長(cháng)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，例如某高溫擴散工藝的企業(yè)，最初采用GE-214材料，鋁含量低于14ppm，結果是晶圓會(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(chǎng)家采用閉擴工藝，爐管內不用石英舟承載，而是選擇閉擴管+石英環(huán)的方式進(jìn)行擴散，因為閉擴管內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)有將工藝調整成閉擴的條件，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，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，可能半導體行業(yè)的用戶(hù)普遍不是非常重視，這部分我也想詳細的介紹介紹。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，半導體行業(yè)應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，羥基含量對于石英材料的影響主要來(lái)自?xún)蓚€(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，有效的將半導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，羥基因為改變了sio2的鍵合結構，降低了材料的熱穩定性，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)，如果是低溫區間的半導體工藝，可以無(wú)視羥基的存在，但是，高溫半導體工藝（1000攝氏度以上）應該考慮羥基對于材料造成的實(shí)際影響，應該選擇經(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)標準，對于半導體用石英制品的羥基含量是有一些具體要求的，行業(yè)標準中將半導體行業(yè)使用的石英材料分為T(mén)級和B級兩個(gè)檔次，對于羥基的含量要求控制在30-50ppm以?xún)取?span style="font-weight:700;border:0px;margin:0px;padding:0px;">現在的半導體行業(yè)實(shí)際使用的產(chǎn)品普遍嚴重超過(guò)行業(yè)標準的要求。

石英材料的制取工藝分類(lèi)

電熔法工藝，又可以分為真空電容、兩步法、連續熔制等具體方法，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(xiàn)無(wú)法有效祛除，所以該方案主要應用于照明用電光源行業(yè)。

氣煉法工藝，可細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(guān)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)含量的具體數據，再將數據與工藝要求的數據進(jìn)行比對，如果超標則不可選擇。

其次是要根據應用特點(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(guān)

*是比較外觀(guān)，半導體行業(yè)中使用的石英制品，外觀(guān)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(lèi)的自動(dòng)倒片的晶圓載具，如果工藝尺寸上與設備要求不符，機器開(kāi)動(dòng)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(mǎn)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，他應該是力求完美的，絕不會(huì )把勉強湊合到一起的幾塊材料拿給用戶(hù)。細節部分，我們可以仔細觀(guān)察產(chǎn)品的焊縫是否平直、連接部是否美觀(guān)大方等等。

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