Kwarts is een van de belangrijkste materialen die bij de productie van halfgeleiders worden gebruikt. Het wordt op grote schaal toegepast in diffusieovens, oxidatiesystemen, CVD-apparatuur, waferdragers, proceskamers, optische inspectiesystemen en onderdelen voor de verwerking van chemicaliën.
Niet alle kwartssoorten zijn echter geschikt voor halfgeleidertoepassingen. Afhankelijk van de procesomgeving kunnen kwartscomponenten verschillende eisen stellen op het gebied van zuiverheid, thermische stabiliteit, hydroxylgehalte, optische prestaties en maatnauwkeurigheid.
De keuze van het juiste kwarts materiaal is van cruciaal belang om verontreiniging tot een minimum te beperken, de processtabiliteit te waarborgen en de opbrengst van de wafers te maximaliseren.
Waarom de halfgeleiderproductie afhankelijk is van zeer zuiver kwarts
Bij de productie van halfgeleiders komen talrijke processen aan bod die onder extreme omstandigheden plaatsvinden:
- Hoge temperaturen van meer dan 1000 °C
- Corrosieve procesgassen
- Reactieve chemicaliën
- Ultrazuivere productieomgevingen
- Apparaatstructuren op nanometerschaal
Onder deze omstandigheden kan zelfs een minimale verontreiniging afkomstig van de materialen van de apparatuur de prestaties van het apparaat beïnvloeden.
Daarom maken halfgeleiderfabrikanten doorgaans gebruik van hoogzuiver gesmolten kwarts of synthetisch gesmolten siliciumdioxide in plaats van standaard industrieel kwarts.
1. Uiterst lage metaalverontreiniging
De zuiverheid van het materiaal is een van de belangrijkste eisen voor halfgeleiderkwarts.
Tijdens bewerkingen bij hoge temperaturen kunnen metaalverontreinigingen in de wafers diffunderen en de elektrische eigenschappen beïnvloeden.
Er wordt bijzondere aandacht besteed aan:
- Aluminium (Al)
- IJzer (Fe)
- Calcium (Ca)
- Magnesium (Mg)
- Titanium (Ti)
- Natrium (Na)
- Kalium (K)
- Lithium (Li)
In plaats van één universele specificatie te volgen, worden de grenswaarden voor onzuiverheden doorgaans vastgesteld door de fabrikant van het halfgeleiderproces en de apparatuur.
Bij geavanceerde halfgeleidertoepassingen worden de onzuiverheidsconcentraties vaak op het ppm- of sub-ppm-niveau geregeld.
2. Uitstekende prestaties bij hoge temperaturen
Veel halfgeleiderprocessen vinden plaats bij temperaturen tussen 800 °C en 1200 °C.
Kwarts wordt op grote schaal gebruikt omdat het de volgende voordelen biedt:
| Eigendom | Typische waarde |
|---|---|
| Verzachtingspunt | Ongeveer 1730 °C |
| Temperatuur bij continu gebruik | Tot 1200 °C |
| Thermische uitzettingscoëfficiënt | Ongeveer 0,5 × 10⁻⁶ /°C |
De uiterst lage thermische uitzettingscoëfficiënt draagt bij aan het minimaliseren van thermische spanning tijdens snelle opwarm- en afkoelcycli.
Veelgebruikte kwartscomponenten voor hoge temperaturen zijn onder meer:
- Kwartsovenbuizen
- Kwartsboten
- Waferhouders
- Procesvoeringen
- Sokkels
3. Het gehalte aan hydroxylgroepen (OH) is van belang
Een factor die vaak over het hoofd wordt gezien, is het hydroxylgehalte.
De concentratie van OH-groepen kan de thermische stabiliteit en de optische transmissie-eigenschappen aanzienlijk beïnvloeden.
Kwarts met een laag OH-gehalte
Wordt doorgaans gebruikt voor:
- Diffusieovens
- Oxidatieovens
- LPCVD-processen
Voordelen:
- Verbeterde thermische stabiliteit
- Verminderde vervorming bij hoge temperaturen
- Betere infrarooddoorlaatbaarheid
Kwarts met een hoog OH-gehalte
Wordt doorgaans gebruikt voor:
- Optische UV-systemen
- Optische vensters
- Lasertoepassingen
Voordelen:
- Verbeterde UV-doorlaatbaarheid
- Uitstekende optische prestaties
Verschillende halfgeleidertoepassingen vereisen verschillende OH-specificaties.
4. Controle op luchtbellen en insluitingen
Interne luchtbellen en insluitsels zijn cruciale kwaliteitsindicatoren voor halfgeleiderkwarts.
Een te hoge bubbelconcentratie kan leiden tot:
- De vorming van deeltjes
- Verminderde mechanische sterkte
- Lokale thermische spanning
- Voortijdige uitval van onderdelen
Voor kritische halfgeleidertoepassingen worden kwartsmaterialen vaak ingedeeld op basis van de bubbel- en insluitseldichtheid.
Voor hoogwaardige halfgeleiderapparatuur gelden doorgaans zeer lage eisen wat betreft het gehalte aan luchtbellen en insluitsels.
5. Chemische weerstand
Kwarts is uiterst goed bestand tegen de meeste zuren en proceschemicaliën die bij de productie van halfgeleiders worden gebruikt.
Het presteert goed in omgevingen waarin sprake is van:
- Zwavelzuur
- Salpeterzuur
- Zoutzuur
- Oxidatiemiddelen
Kwarts kan echter worden aangetast door:
- Fluorwaterstofzuur (HF)
- Bepaalde sterk alkalische oplossingen bij verhoogde temperaturen
Daarom moet de materiaalcompatibiliteit altijd worden beoordeeld op basis van de chemische samenstelling van het beoogde proces.
6. Maatnauwkeurigheid en oppervlaktekwaliteit
Voor halfgeleiderapparatuur zijn uiterst nauwkeurige kwartsonderdelen nodig.
Typische vereisten kunnen onder meer zijn:
- Vlakheid
- Parallellisme
- Concentriciteit
- Oppervlakteafwerking
- Randkwaliteit
Bovendien moeten oppervlakken vrij zijn van:
- Krassen
- Chips
- Scheuren
- Vreemde insluitsels
Oppervlaktefouten kunnen een bron van verontreiniging vormen en de procesbetrouwbaarheid verminderen.
7. Hygiëne en de beheersing van deeltjes
Bij de moderne halfgeleiderproductie wordt steeds meer nadruk gelegd op het beheersen van verontreiniging.
Kwartsonderdelen worden vaak onderworpen aan:
- Precisiebewerking
- Reiniging met zuur
- Ultrasoon reinigen
- Spoelen met zeer zuiver water
- Cleanroom verpakking
Een materiaal met een hoge zuiverheidsgraad alleen is onvoldoende als het uiteindelijke onderdeel niet wordt verwerkt en verpakt volgens de reinheidseisen voor halfgeleiders.
Veelgebruikte kwartssoorten bij de productie van halfgeleiders
| Materiaalsoort | Typische toepassingen |
|---|---|
| Gesmolten kwarts | Algemene onderdelen voor halfgeleiderapparatuur |
| Gesmolten kwarts van hoge zuiverheid | Diffusie- en oxidatiesystemen |
| Synthetisch gesmolten siliciumdioxide | Toepassingen op het gebied van optica en fotolithografie |
| Kwarts met een laag OH-gehalte | Onderdelen voor ovens op hoge temperatuur |
| Kwarts met een hoog OH-gehalte | Componenten voor UV-doorlaatbaarheid |
Conclusie
Niet alle kwartssoorten zijn geschikt voor de productie van halfgeleiders.
Bij de keuze van kwarts van halfgeleiderkwaliteit moet rekening worden gehouden met verschillende factoren, waaronder zuiverheid, hydroxylgehalte, thermische stabiliteit, bellen dichtheid, chemische bestendigheid, maatnauwkeurigheid en reinheidseisen.
Aangezien elk halfgeleiderproces andere eisen aan het materiaal stelt, is de keuze van de juiste kwartssoort vaak net zo belangrijk als de keuze van het juiste ontwerp van het onderdeel.
Voor fabrikanten van halfgeleiderapparatuur en fabrieken waar wafers worden geproduceerd, kan het juiste kwarts materiaal de processtabiliteit aanzienlijk verbeteren, het risico op verontreiniging verminderen en de levensduur van onderdelen verlengen.
