石英（SiO₂）材料咋一看和玻璃很像，但比较特别的是一般的玻璃是由许多成分（如石英砂、硼砂、硼酸、重晶石、碳酸钡、石灰石、长石、纯碱等）所构成，而石英只含有SiO₂成分，其微观结构是一种由二氧化硅四面结构体结构单元组成的单纯网络。

因为石英之中含有的金属不纯物的量非常少，本身的纯度极高，因此石英本身拥有其他玻璃所无法呈现出的特性及优点，被誉为玻璃材料中的“皇冠”。比如说耐热程度，石英哪怕在火中烧红后立即放到水中都不会炸裂，而普通玻璃别说烧红后放到水中不炸裂，只是一烧就四分五裂了。更具体的优势如下：

1、耐高温。石英玻璃的软化点温度约为1730℃，可以在1150℃下长时间使用，短时间最高温度可达1450℃。

2、耐腐蚀。除氢氟酸外，高纯石英几乎与其他酸类物质不发生化学反应，在高温下，它能耐硫酸，硝酸，盐酸，王水，中性盐类，碳和硫等侵蚀。其耐酸能力是陶瓷的30倍，不锈钢的150倍，尤其是在高温下的化学稳定性，是其他任何工程材料都无法比拟的。

3、热稳定性好。高纯石英的热膨胀系数极小，能承受激烈的温度变化，将高纯石英加热至1100℃左右，放入常温水中也不会炸裂。

4、透光性能好。高纯石英在紫外线到红外线的整个光谱波段都有较好的透光性能，可见光透光率在93%以上，特别是在紫外线光谱区，~大透光率可达80%以上。

5、电绝缘性能好。高纯石英的电阻值相当于普通石英玻璃的一万倍，是极好的电绝缘材料，即使在高温下也具有良好的电性能。

多得这些优秀的物理、化学特性，高纯度的石英材料被广泛应用于现代电子科技、半导体、通讯、电光源、太阳能、国防高精密量测仪器、实验室理化仪器、核能、纳米产业等。尤其是快速发展的半导体行业，硅晶圆的规模一直在增加，因此芯片制造商对石英制的各种部件需求量大增。不过也要注意，为了防止加工过程中的污染，使用中必须要确保石英材料的高纯度。

石英制品在半导体中的应用

在半导体行业，石英被广泛应用，高纯石英制品更是晶圆生产中的重要耗材。生产硅单晶的坩埚、晶舟、扩散炉炉芯管等石英部件必须使用高纯石英玻璃制品。石英部件在半导体领域主要目标市场应用为晶圆代工中扩散和刻蚀工艺，可以分为高温区器件和低温区器件两大类，会使用的主要器件如下：

①高温区器件主要是扩散氧化等环节使用的炉管、玻璃舟架等，需要在高温环境中直接或间接与硅片接触；主要是采购电熔石英玻璃材料，通过热加工生产；

②低温区器件主要是刻蚀环节的石英环等，还包括清洗过程中的花篮、清洗槽等，主要在低温环境中使用；主要采购气炼石英玻璃，通过冷加工生产。

其中高温区器件消耗速度较快，但是类似多片机（一个承载器具承放多个硅片），低温区器件消耗速度较慢，但是单片机（一个承载器具承放一个硅片）；因此两者整体市场规模相对比较接近。

1、高温区器件

1.1、石英炉管

炉管（furnace）是晶圆进行高温加热过程的区域，由石英炉管、反应室和数个加热器组成，其在半导体制程中广泛应用于扩散、氧化、退火处理等步骤。设备分为水平式和垂直式两种（如下图）：水平式炉管，晶圆放置在石英晶舟上，且石英晶舟又放在SiC做的承载架上，且前后会有适应挡板，承载架推进石英炉管中，晶圆在恒温区进行反应；垂直式炉管，晶圆在石英塔架上，然后缓慢上升到石英炉管内进行制程。

由于以上制程中温度较高，为免石英炉管在多次、长时间使用后出现炉管变形严重并坍塌的后果，生产时应使用不易变形坍塌、使用寿命长的石英炉管。

1.2、石英晶舟

在半导体IC制造过程中，常需要用一种工具作芯片传送、清洗及加工，这种承载芯片的工具一般称为晶舟，其上会设置有多个晶圆槽，每一个晶圆槽用来放置一片晶圆。在半导体晶片的制造过程中，炉管的扩散制程是基本制程之一，扩散制程中，就是先将多篇晶圆放于一个石英晶舟上，再将石英晶舟放在炉管内进行批次制造。另外，石英支架就是用于承载多个石英舟的器件。

2、低温区器件

2.1、石英环

刻蚀工艺是半导体工艺中较为复杂，也相当重要的一个，是与光刻相联系的图形化(pattern)处理的一种主要工艺，石英环就用于此。“光刻”是将光刻胶进行光刻曝光处理（相当于用投影的方式把电路图“画”在晶圆上），“刻蚀”则是用化学或物理方法沿着光刻胶表面显影的图案，从硅片表面去除不需要的材料，从而将电路图刻在晶圆上。

在这个过程中，高纯石英环主要起到防护作用，它与石英闸门的组合可实现对腔体的密闭防护，紧密围绕在晶圆周围，防止刻蚀制造过程中的各类污染。

图片来源：沈阳汉科半导体材料有限公司

2.2、石英花篮与清洗槽

在硅晶体管和集成电路生产中，几乎每道工序都有硅片清洗，硅片清洗的好坏对器件性能有严重的影响。其中化学清洗是为了除去原子、离子不可见的污染，方法较多，有溶剂萃取、酸洗（硫酸、硝酸、王水、各种混合酸等）和等离子体法等；超声波清洗（物理清洗）则能通过将超声波声能传入溶液，靠气蚀作用洗掉片子上的污染。

在清洗过程中需要使用耐酸耐碱的石英器件，其中负责承载硅片的是石英花篮，负责承载洗涤的则是石英清洗槽。要注意的是，石英花篮除了要保证结构强度外，应尽量减少与硅片的接触面积，才能达到良好的清洗效果。

 

结语

当然，在半导体制程中会使用到的石英制品并不止上述的这些。总的来说，石英制品虽然是不引人注目的“小”耗材，但确确实实是半导体制程中非要重要的组成部分，据 Techcet 统计，应用于电子信息产业的高纯石英玻璃原料占全球年产量9成左右。

就像钉子再不起眼，但为了结构的稳定性一定不能省一样。半导体产业要发展，就不能被“以小制大”，开发高性能的石英玻璃材料及制品并扩大生产能力，提升装备水平和产品档次也都是必须要做的工作。

 

粉体圈NANA整理

本文为粉体圈原创作品，未经许可，不得转载，也不得歪曲、篡改或复制本文内容，否则本公司将依法追究法律责任。