Кварц является одним из важнейших материалов, используемых во всех этапах производства полупроводников. Он широко применяется в диффузионных печах, системах окисления, оборудовании для химического осаждения из газовой фазы (CVD), держателях для пластин, технологических камерах, системах оптического контроля и компонентах для работы с химическими веществами.
Однако не все кварцевые материалы подходят для применения в полупроводниковой промышленности. В зависимости от условий технологического процесса к кварцевым компонентам могут предъявляться различные требования к уровню чистоты, термической стабильности, содержанию гидроксильных групп, оптическим характеристикам и точности размеров.
Выбор подходящего кварцевого материала имеет решающее значение для минимизации загрязнения, обеспечения стабильности технологического процесса и максимального повышения выхода пластин.
Почему в производстве полупроводников используется кварц высокой чистоты
Производство полупроводников включает в себя множество технологических процессов, протекающих в экстремальных условиях:
- Высокие температуры, превышающие 1000 °C
- Коррозионные технологические газы
- Реактивные химические вещества
- Сверхчистые производственные помещения
- Структуры устройств нанометрового масштаба
В таких условиях даже следовые примеси, поступающие из материалов, из которых изготовлено оборудование, могут повлиять на рабочие характеристики устройства.
В связи с этим производители полупроводников, как правило, используют высокочистый плавленый кварц или синтетический плавленый кремнезем вместо стандартного промышленного кварца.
1. Сверхнизкий уровень металлического загрязнения
Чистота материала является одним из важнейших требований к полупроводниковому кварцу.
Металлические примеси могут проникать в пластины в процессе высокотемпературной обработки и влиять на их электрические характеристики.
Особое внимание уделяется следующим вопросам:
- Алюминий (Al)
- Железо (Fe)
- Кальций (Ca)
- Магний (Mg)
- Титан (Ti)
- Натрий (Na)
- Калий (K)
- Литий (Li)
Предельные значения содержания примесей, как правило, определяются производителем технологического процесса и оборудования для производства полупроводников, а не устанавливаются в соответствии с какой-либо единой универсальной спецификацией.
В сложных полупроводниковых системах концентрация примесей часто регулируется на уровне ppm или менее 1 ppm.
2. Превосходные эксплуатационные характеристики при высоких температурах
Многие процессы производства полупроводников протекают при температурах от 800 °C до 1200 °C.
Кварц широко используется, поскольку обладает следующими свойствами:
| Недвижимость | Типичное значение |
|---|---|
| Точка размягчения | Примерно 1730 °C |
| Температура непрерывной эксплуатации | До 1200 °C |
| Коэффициент теплового расширения | Примерно 0,5 × 10⁻⁶ /°C |
Чрезвычайно низкий коэффициент теплового расширения позволяет свести к минимуму термические напряжения во время циклов быстрого нагрева и охлаждения.
К распространенным высокотемпературным кварцевым компонентам относятся:
- Кварцевые печные трубы
- Кварцевые лодки
- Держатели для пластин
- Вкладыши для технологических линий
- Подиумы
3. Содержание гидроксильных групп (OH) имеет значение
Одним из факторов, который часто упускают из виду, является содержание гидроксильных групп.
Концентрация групп OH может существенно влиять на термическую стабильность и характеристики оптической пропускаемости.
Кварц с низким содержанием гидроксильных групп
Обычно используется для:
- Диффузионные печи
- Окислительные печи
- Процессы LPCVD
Преимущества:
- Повышенная термическая стабильность
- Снижение высокотемпературной деформации
- Улучшенная пропускаемость инфракрасного излучения
Кварц с высоким содержанием OH
Обычно используется для:
- Ультрафиолетовые оптические системы
- Оптические окна
- Области применения лазеров
Преимущества:
- Повышенная пропускаемость ультрафиолетового излучения
- Превосходные оптические характеристики
Различные области применения полупроводников требуют разных технических характеристик OH.
4. Контроль пузырьков и включений
Внутренние пузырьки и включения являются важнейшими показателями качества полупроводникового кварца.
Чрезмерная плотность пузырьков может привести к:
- Генерация частиц
- Снижение механической прочности
- Локальное термическое напряжение
- Преждевременный отказ компонента
В критически важных областях применения полупроводников кварцевые материалы часто классифицируются по плотности пузырьков и содержанию включений.
Для высокотехнологичного полупроводникового оборудования, как правило, требуются чрезвычайно низкие уровни содержания пузырьков и включений.
5. Химическая стойкость
Кварц обладает превосходной стойкостью к воздействию большинства кислот и технологических химикатов, используемых в производстве полупроводников.
Он хорошо работает в условиях, связанных с:
- Серная кислота
- Азотная кислота
- Соляная кислота
- Окисляющие химические вещества
Однако на кварц могут оказывать разрушающее воздействие:
- Фтористоводородная кислота (HF)
- Некоторые сильнощелочные растворы при повышенных температурах
Поэтому совместимость материалов всегда необходимо оценивать с учетом химического состава процесса, для которого они предназначены.
6. Точность размеров и качество поверхности
Для производства полупроводникового оборудования требуются высокоточные кварцевые детали.
К типичным требованиям могут относиться:
- Плоскость
- Параллелизм
- Концентричность
- Качество поверхности
- Качество кромок
Кроме того, на поверхностях не должно быть:
- Царапины
- Чипсы
- Трещины
- Посторонние включения
Дефекты поверхности могут стать источниками загрязнения и снизить надежность технологического процесса.
7. Чистота и контроль за содержанием твердых частиц
В современном производстве полупроводников всё большее внимание уделяется контролю загрязнений.
Кварцевые компоненты часто подвергаются:
- Точная механическая обработка
- Очистка кислотой
- Ультразвуковая очистка
- Промывка водой высокой чистоты
- Упаковка для чистых помещений
Одного лишь материала высокой чистоты недостаточно, если конечный компонент не проходит обработку и упаковку в соответствии с требованиями к чистоте в полупроводниковой промышленности.
Распространенные кварцевые материалы, используемые в производстве полупроводников
| Тип материала | Типовые применения |
|---|---|
| Плавленый кварц | Общие компоненты полупроводникового оборудования |
| Плавленой кварц высокой чистоты | Системы диффузии и окисления |
| Синтетический плавленый кремнезем | Применение в оптике и фотолитографии |
| Кварц с низким содержанием гидроксильных групп | Компоненты высокотемпературных печей |
| Кварц с высоким содержанием OH | Компоненты, пропускающие ультрафиолетовое излучение |
Заключение
Не все кварцевые материалы подходят для производства полупроводников.
Выбор кварца полупроводникового качества должен основываться на целом ряде факторов, включая чистоту, содержание гидроксильных групп, термическую стабильность, плотность пузырьков, химическую стойкость, точность размеров и требования к чистоте.
Поскольку каждый процесс производства полупроводников предъявляет к материалу свои требования, выбор подходящего сорта кварца зачастую не менее важен, чем выбор правильной конструкции компонента.
Для производителей полупроводникового оборудования и предприятий по производству полупроводниковых пластин правильный выбор кварцевого материала может значительно повысить стабильность технологического процесса, снизить риски загрязнения и продлить срок службы компонентов.
