Kvarts är ett av de viktigaste materialen som används inom halvledartillverkningen. Det används i stor utsträckning i diffusionsugnar, oxidationssystem, CVD-utrustning, skivhållare, processkammare, optiska inspektionssystem och komponenter för hantering av kemikalier.

Det är dock inte alla kvartsmaterial som lämpar sig för halvledartillämpningar. Beroende på processmiljön kan kvartskomponenter kräva olika nivåer av renhet, termisk stabilitet, hydroxylhalt, optiska egenskaper och måttnoggrannhet.

Att välja rätt kvartsmaterial är avgörande för att minimera föroreningar, upprätthålla processstabiliteten och maximera utbytet av kiselskivor.

Varför halvledartillverkningen är beroende av kvarts med hög renhet

Tillverkningen av halvledare omfattar ett stort antal processer som genomförs under extrema förhållanden:

Höga temperaturer över 1000 °C
Korrosiva processgaser
Reaktiva kemikalier
Extremt rena tillverkningsmiljöer
Komponentstrukturer i nanometerstorlek

Under dessa förhållanden kan till och med spår av föroreningar från utrustningens material påverka enhetens prestanda.

Därför använder halvledartillverkare vanligtvis smält kvarts med hög renhet eller syntetiskt smält kiseldioxid istället för vanligt industriellt kvarts.

1. Extremt låg metallförorening

Materialets renhet är ett av de viktigaste kraven för halvledarkvarts.

Metalliska föroreningar kan diffundera in i kiselskivorna under bearbetning vid höga temperaturer och påverka de elektriska egenskaperna.

Särskild uppmärksamhet ägnas åt:

Aluminium (Al)
Järn (Fe)
Kalcium (Ca)
Magnesium (Mg)
Titan (Ti)
Natrium (Na)
Kalium (K)
Litium (Li)

I stället för att följa en enda universell specifikation fastställs gränsvärdena för föroreningar vanligtvis av tillverkaren av halvledarprocessen och utrustningen.

I avancerade halvledartillämpningar regleras ofta föroreningskoncentrationerna på ppm-nivå eller under ppm-nivå.

2. Utmärkt prestanda vid höga temperaturer

Många halvledarprocesser genomförs vid temperaturer mellan 800 °C och 1200 °C.

Kvarts används i stor utsträckning eftersom det erbjuder:

Fastighet	Typiskt värde
Mjukgörande punkt	Cirka 1730 °C
Kontinuerlig driftstemperatur	Upp till 1200 °C
Termisk expansionskoefficient	Cirka 0,5 × 10⁻⁶ /°C

Den extremt låga värmeutvidgningskoefficienten bidrar till att minimera termisk spänning vid snabba uppvärmnings- och avkylningscykler.

Vanliga kvartskomponenter för högtemperaturbruk är bland annat:

Ugnsrör av kvarts
Kvartsbåtar
Waferhållare
Processfoder
Socklar

3. Hydroxylhalten (OH) är viktig

En faktor som ofta förbises är hydroxylhalten.

Koncentrationen av OH-grupper kan ha en betydande inverkan på den termiska stabiliteten och de optiska transmissionsegenskaperna.

Kvarts med låg OH-halt

Används vanligtvis för:

Diffusionsugnar
Oxidationsugnar
LPCVD-processer

Fördelar:

Förbättrad termisk stabilitet
Minskad deformation vid höga temperaturer
Bättre infraröd överföring

Kvarts med högt OH-innehåll

Används vanligtvis för:

Optiska UV-system
Optiska fönster
Lasertillämpningar

Fördelar:

Förbättrad UV-genomsläpplighet
Överlägsen optisk prestanda

Olika halvledartillämpningar kräver olika OH-specifikationer.

4. Kontroll av bubblor och inneslutningar

Inre bubblor och inneslutningar är avgörande kvalitetsindikatorer för halvledarkvarts.

En alltför hög bubbelkoncentration kan leda till:

Partikelbildning
Minskad mekanisk hållfasthet
Lokaliserad termisk påfrestning
För tidigt komponentfel

För kritiska halvledartillämpningar klassificeras kvartsmaterial ofta utifrån bubbeldensitet och andel inneslutningar.

Högkvalitativ halvledarutrustning kräver i allmänhet extremt låga halter av bubblor och inneslutningar.

5. Kemisk resistens

Kvarts uppvisar utmärkt beständighet mot de flesta syror och processkemikalier som används vid tillverkning av halvledare.

Den fungerar bra i miljöer där följande förekommer:

Svavelsyra
Salpetersyra
Saltsyra
Oxidationsmedel

Kvarts kan dock angripas av:

Fluorvätesyra (HF)
Vissa starkt alkaliska lösningar vid höga temperaturer

Därför måste materialkompatibiliteten alltid bedömas utifrån den avsedda processkemin.

6. Måttsäkerhet och ytkvalitet

Halvledarutrustning kräver mycket exakta kvartskomponenter.

Vanliga krav kan bland annat vara:

Planhet
Parallellism
Koncentricitet
Ytfinish
Kantkvalitet

Dessutom ska ytorna vara fria från:

Repor
Chips
Sprickor
Främmande inneslutningar

Ytdefekter kan utgöra föroreningskällor och försämra processens tillförlitlighet.

7. Renlighet och partikelkontroll

Inom den moderna halvledartillverkningen läggs allt större vikt vid kontroll av föroreningar.

Kvartskomponenter utsätts ofta för:

Precisionsbearbetning
Syrarengöring
Ultraljudsrengöring
Sköljning med högrent vatten
Förpackningar för renrum

Ett material med hög renhet räcker inte i sig om den färdiga komponenten inte bearbetas och förpackas i enlighet med renhetskraven för halvledare.

Vanliga kvartsmaterial som används vid tillverkning av halvledare

Materialtyp	Typiska tillämpningar
Smält kvarts	Allmänna komponenter till halvledarutrustning
Smält kvarts med hög renhet	Diffusions- och oxidationssystem
Syntetisk smält kvarts	Optiska tillämpningar och fotolitografi
Kvarts med låg OH-halt	Komponenter för högtemperaturugnar
Kvarts med högt OH-innehåll	Komponenter för UV-genomsläpplighet

Slutsats

Inte alla kvartsmaterial är lämpliga för tillverkning av halvledare.

Valet av kvarts av halvledarkvalitet bör baseras på flera faktorer, däribland renhet, hydroxylhalt, termisk stabilitet, bubbeldensitet, kemisk beständighet, måttnoggrannhet och renhetskrav.

Eftersom varje halvledarprocess ställer olika krav på materialet är valet av rätt kvartskvalitet ofta lika viktigt som valet av rätt komponentkonstruktion.

För tillverkare av halvledarutrustning och anläggningar för tillverkning av kiselskivor kan rätt kvartsmaterial avsevärt förbättra processstabiliteten, minska risken för föroreningar och förlänga komponenternas livslängd.