Le quartz est l'un des matériaux les plus importants utilisés dans la fabrication des semi-conducteurs. Il est largement utilisé dans les fours de diffusion, les systèmes d'oxydation, les équipements CVD, les porte-plaquettes, les chambres de traitement, les systèmes d'inspection optique et les composants destinés à la manipulation de produits chimiques.
Cependant, tous les matériaux à base de quartz ne conviennent pas aux applications dans le domaine des semi-conducteurs. En fonction de l'environnement de fabrication, les composants en quartz peuvent nécessiter différents niveaux de pureté, de stabilité thermique, de teneur en hydroxyle, de performances optiques et de précision dimensionnelle.
Le choix d'un matériau en quartz adapté est essentiel pour réduire au minimum la contamination, garantir la stabilité du processus et optimiser le rendement des plaquettes.
Pourquoi la fabrication de semi-conducteurs repose sur du quartz de haute pureté
La fabrication de semi-conducteurs implique de nombreux procédés se déroulant dans des conditions extrêmes :
- Températures élevées dépassant les 1 000 °C
- Gaz de procédé corrosifs
- Produits chimiques réactifs
- Environnements de fabrication ultra-propres
- Structures de dispositifs à l'échelle nanométrique
Dans ces conditions, même une contamination infime provenant des matériaux des équipements peut affecter les performances des dispositifs.
C'est pourquoi les fabricants de semi-conducteurs ont généralement recours à quartz fondu de haute pureté ou de la silice fondue synthétique à la place du quartz industriel standard.
1. Contamination métallique extrêmement faible
La pureté du matériau est l'une des exigences les plus importantes pour le quartz utilisé dans les semi-conducteurs.
Des impuretés métalliques peuvent se diffuser dans les plaquettes lors des traitements à haute température et altérer leurs caractéristiques électriques.
Une attention particulière est accordée aux points suivants :
- Aluminium (Al)
- Fer (Fe)
- Calcium (Ca)
- Magnésium (Mg)
- Titane (Ti)
- Sodium (Na)
- Potassium (K)
- Lithium (Li)
Plutôt que de se conformer à une spécification unique et universelle, les limites d'impuretés sont généralement fixées par le fabricant du procédé et des équipements pour semi-conducteurs.
Dans les applications avancées en semi-conducteurs, les concentrations en impuretés sont souvent contrôlées à l'échelle du ppm ou en dessous du ppm.
2. Excellentes performances à haute température
De nombreux procédés de fabrication de semi-conducteurs se déroulent à des températures comprises entre 800 °C et 1 200 °C.
Le quartz est largement utilisé car il présente les avantages suivants :
| Propriété | Valeur typique |
|---|---|
| Point d'adoucissement | Environ 1 730 °C |
| Température de fonctionnement en continu | Jusqu'à 1 200 °C |
| Coefficient de dilatation thermique | Environ 0,5 × 10⁻⁶ /°C |
Son coefficient de dilatation thermique extrêmement faible permet de réduire au minimum les contraintes thermiques lors des cycles rapides de chauffage et de refroidissement.
Parmi les composants courants en quartz résistants aux hautes températures, on peut citer :
- Tubes de four à quartz
- Bateaux en quartz
- Porte-plaquettes
- Revêtements de conduites de traitement
- Socles
3. La teneur en groupes hydroxyles (OH) est importante
Un facteur souvent négligé est la teneur en hydroxyle.
La concentration en groupes OH peut influencer de manière significative la stabilité thermique et les caractéristiques de transmission optique.
Quartz à faible teneur en OH
Généralement utilisé pour :
- Fours de diffusion
- Fours d'oxydation
- Procédés LPCVD
Avantages :
- Stabilité thermique améliorée
- Réduction de la déformation à haute température
- Meilleure transmission infrarouge
Quartz à forte teneur en OH
Généralement utilisé pour :
- Systèmes optiques UV
- Fenêtres optiques
- Applications du laser
Avantages :
- Transmission des UV améliorée
- Performances optiques supérieures
Les différentes applications des semi-conducteurs nécessitent des spécifications OH différentes.
4. Contrôle des bulles et des inclusions
Les bulles internes et les inclusions constituent des indicateurs de qualité essentiels pour le quartz semi-conducteur.
Une densité excessive de bulles peut entraîner :
- Génération de particules
- Résistance mécanique réduite
- Contrainte thermique localisée
- Défaillance prématurée d'un composant
Pour les applications critiques dans le domaine des semi-conducteurs, les matériaux en quartz sont souvent classés en fonction de leur densité de bulles et de leur teneur en inclusions.
Les équipements de pointe destinés à l'industrie des semi-conducteurs exigent généralement des niveaux de bulles et d'inclusions extrêmement faibles.
5. Résistance aux produits chimiques
Le quartz présente une excellente résistance à la plupart des acides et des produits chimiques utilisés dans la fabrication des semi-conducteurs.
Il offre de bonnes performances dans les environnements suivants :
- Acide sulfurique
- Acide nitrique
- Acide chlorhydrique
- Produits chimiques oxydants
Cependant, le quartz peut être attaqué par :
- Acide fluorhydrique (HF)
- Certaines solutions alcalines concentrées à haute température
Par conséquent, la compatibilité des matériaux doit toujours être évaluée en fonction des caractéristiques chimiques du procédé prévu.
6. Précision dimensionnelle et qualité de surface
Les équipements pour semi-conducteurs nécessitent des composants en quartz d'une grande précision.
Les exigences types peuvent inclure :
- Planéité
- Parallélisme
- Concentricité
- Finition de surface
- Qualité des bords
De plus, les surfaces ne doivent pas présenter :
- Rayures
- Chips
- Fissures
- Inclusions étrangères
Les défauts de surface peuvent devenir des sources de contamination et nuire à la fiabilité du processus.
7. Propreté et contrôle des particules
La fabrication moderne de semi-conducteurs accorde une importance croissante à la maîtrise de la contamination.
Les composants en quartz sont souvent soumis à :
- Usinage de précision
- Nettoyage à l'acide
- Nettoyage par ultrasons
- Rinçage à l'eau ultra-pure
- Emballage pour salle blanche
Un matériau de haute pureté ne suffit pas à lui seul si le composant final n'est pas traité et conditionné conformément aux exigences de propreté applicables aux semi-conducteurs.
Matériaux à base de quartz couramment utilisés dans la fabrication des semi-conducteurs
| Type de matériau | Applications typiques |
|---|---|
| Quartz fondu | Composants généraux pour équipements de semi-conducteurs |
| Quartz fondu de haute pureté | Systèmes de diffusion et d'oxydation |
| Silice fondue synthétique | Applications dans le domaine de l'optique et de la photolithographie |
| Quartz à faible teneur en OH | Composants des fours à haute température |
| Quartz à forte teneur en OH | Composants de transmission des UV |
Conclusion
Tous les matériaux à base de quartz ne conviennent pas à la fabrication de semi-conducteurs.
Le choix du quartz de qualité semi-conductrice doit tenir compte de plusieurs facteurs, notamment la pureté, la teneur en groupes hydroxyles, la stabilité thermique, la densité des bulles, la résistance chimique, la précision dimensionnelle et les exigences en matière de propreté.
Étant donné que chaque procédé de fabrication de semi-conducteurs impose des exigences différentes au matériau, le choix d'une qualité de quartz adaptée est souvent tout aussi important que celui d'une conception adéquate du composant.
Pour les fabricants d'équipements pour semi-conducteurs et les usines de fabrication de plaquettes, le choix d'un matériau en quartz adapté peut améliorer considérablement la stabilité des processus, réduire les risques de contamination et prolonger la durée de vie des composants.
