石英是半導體製造過程中最關鍵的材料之一。它廣泛應用於擴散爐、氧化系統、化學氣相沉積（CVD）設備、晶圓載具、製程腔室、光學檢測系統，以及化學處理組件中。.
然而，並非所有石英材料都適合用於半導體應用。視製程環境而定，石英元件可能需要具備不同等級的純度、熱穩定性、羥基含量、光學性能及尺寸精度。.
選用合適的石英材料，對於將污染降至最低、維持製程穩定性，以及將晶圓良率最大化至關重要。.
為何半導體製造依賴高純度石英
半導體製造涉及眾多在極端條件下進行的製程：
- 超過 1000°C 的高溫
- 具腐蝕性的製程氣體
- 反應性化學品
- 超潔淨製造環境
- 奈米級裝置結構
在這種情況下，即使是來自設備材料的微量污染物，也可能影響裝置的性能。.
因此，半導體製造商通常會採用 高純度熔融石英 或使用合成熔融石英，而非標準工業用石英。.
1. 極低金屬污染
材料純度是半導體石英最重要的要求之一。.
在高溫處理過程中，金屬雜質可能會擴散進入晶圓，並影響其電氣特性。.
特別關注以下方面：
- 鋁 (Al)
- 鐵 (Fe)
- 鈣（Ca）
- 鎂 (Mg)
- 鈦 (Ti)
- 鈉 (Na)
- 鉀 (K)
- 鋰 (Li)
雜質限值通常並非遵循單一的通用規範，而是由半導體製程及設備製造商所決定。.
在先進的半導體應用中，雜質濃度通常需控制在 ppm 或 sub-ppm 級別。.
2. 卓越的高溫性能
許多半導體製程的運作溫度介於 800°C 至 1200°C 之間。.
石英之所以被廣泛使用，是因為它具備以下特點：
| 財產 | 典型值 |
|---|---|
| 軟化點 | 約 1730°C |
| 連續工作溫度 | 最高可達 1200°C |
| 熱膨脹係數 | 約 0.5 × 10⁻⁶ /°C |
極低的熱膨脹係數有助於將快速加熱與冷卻循環過程中的熱應力降至最低。.
常見的高溫石英元件包括：
- 石英爐管
- 石英船
- 晶圓載具
- 製程襯裡
- 基座
3. 羥基（OH）含量至關重要
一個常被忽略的因素是羥基含量。.
OH 基團的濃度會顯著影響熱穩定性與光學透射特性。.
低羥基石英
通常用於：
- 擴散爐
- 氧化爐
- LPCVD 製程
優點：
- 熱穩定性有所提升
- 減少高溫變形
- 更佳的紅外線傳輸效果
高OH石英
通常用於：
- 紫外線光學系統
- 光學窗
- 雷射應用
優點：
- 增強的紫外線透射率
- 卓越的光學性能
不同的半導體應用需要不同的 OH 規格。.
4. 氣泡與夾雜物控制
內部氣泡和夾雜物是半導體石英的重要品質指標。.
氣泡密度過高可能會導致：
- 粒子生成
- 機械強度降低
- 局部熱應力
- 組件過早故障
對於關鍵的半導體應用而言，石英材料通常會根據氣泡密度和內含物含量進行分類。.
高階半導體設備通常要求氣泡和夾雜物的含量極低。.
5.耐化學性
石英對半導體製造中使用的多數酸類及製程化學品具有極佳的耐受性。.
它在以下環境中表現優異：
- 硫酸
- 硝酸
- 鹽酸
- 氧化性化學物質
然而，石英可能會受到以下物質的侵蝕：
- 氫氟酸 (HF)
- 某些在高溫下的強鹼性溶液
因此，必須始終根據預期的製程化學特性來評估材料的相容性。.
6. 尺寸精度與表面品質
半導體設備需要高精度的石英元件。.
常見的要求可能包括：
- 平整度
- 平行性
- 同心度
- 表面處理
- 邊緣品質
此外，表面應無以下物質：
- 刮痕
- 晶片
- 裂痕
- 外來雜質
表面缺陷可能會成為污染源，並降低製程的可靠性。.
7. 清潔度與微粒控制
現代半導體製造越來越重視污染控制。.
石英元件通常會經歷：
- 精密加工
- 酸洗
- 超音波清洗
- 高純度水沖洗
- 無塵室包裝
如果最終元件未依照半導體潔淨度要求進行加工與封裝，僅憑高純度材料是不足的。.
半導體製造中常用的石英材料
| 材料類型 | 典型應用 |
|---|---|
| 熔融石英 | 一般半導體設備零組件 |
| 高純度熔融石英 | 擴散與氧化系統 |
| 合成熔融石英 | 光學與光刻技術的應用 |
| 低羥基石英 | 高溫爐元件 |
| 高OH石英 | 紫外線透射元件 |
總結
並非所有石英材料都適合用於半導體製造。.
選擇半導體級石英時，應綜合考量多項因素，包括純度、羥基含量、熱穩定性、氣泡密度、耐化學性、尺寸精度及潔淨度要求。.
由於每種半導體製程對材料都有不同的要求，因此選擇合適的石英等級，往往與選擇正確的元件設計同樣重要。.
對於半導體設備製造商和晶圓製造廠而言，選用合適的石英材料，可顯著提升製程穩定性、降低污染風險，並延長元件的使用壽命。.
