说到石英，人们首先想到的通常是实验室烧杯或装饰品。然而很多人并不知道，这种常见材料却是制造指甲盖大小芯片不可或缺的核心原材料。
半导体中使用的石英不是普通玻璃：光刻机中使用的石英玻璃的透光率需要超过93%；扩散炉用石英管件耐温可达1200℃；用于蚀刻的石英片和环的杂质含量必须控制在百万分之二以内。
为什么同样的石英产品的性能要求却相差如此之大？半导体行业使用的石英原材料和成品有哪些严格规定？用于半导体的石英原材料可加工成石英棒、石英舟、石英坩埚等各种工业专用配件，必须满足以下多项严格指标：
高温工艺（扩散、氧化）：制备耐高温 石英管、石英舟、炉组件的原材料需要进行预处理，去除羟基，避免羟基对材料热稳定性的影响。
低温工艺（蚀刻、光刻）：所使用的石英片和石英玻璃片对羟基没有严格的要求。核心控制注重耐腐蚀、高透光率、超低杂质含量。
高温和低温条件的要求差异很大，源于不同的工艺环境：
高温工艺（扩散、氧化、800~1200℃）：羟基会引起石英相变收缩，形成微裂纹，严重时导致炉管开裂、晶片破坏。因此，用于高温应用的石英原材料必须脱羟基至5ppm以下，以保证石英管和石英舟在高温下稳定的尺寸和足够的寿命。
低温工艺（蚀刻、光刻、室温～200℃）：温度不损伤石英体；强腐蚀性
蚀刻环境要求石英环及腔体配件耐腐蚀；光刻紫外成像要求石英玻璃片透光率高、内部缺陷少；微量杂质容易污染腔体，因此本场景重点控制透光率和纯度指标。
摘要：在高温条件下，严格控制羟基，以适应石英管、石英舟等耐热产品；低温条件下，注重透光率，以适应石英片、石英玻璃片等光学产品；在腐蚀条件下，以超高纯度为核心，适应各种半导体石英仪器。
半导体 石英材料 要求极高的化学纯度，并对铝、铁、钙、镁、钛等杂质进行严格控制。这是批量生产石英棒、石英坩埚、石英玻璃管、石英环等产品的基础：13种主要杂质总含量≤2.0μg/g，锂、钠、钾碱金属总量≤1.0μg/g，各单项杂质≤0.5μg/g。
芯片制造工艺已达到纳米级别，微量金属杂质的潜在风险极高：铝、铁会导致芯片漏电，而锂、钠、钾离子迁移会突破绝缘层。高纯度是石英晶片、石英坩埚、石英管进入半导体生产线的入门要求。
综上所述，半导体石英坚持杂质越低越好的原则。纯度是配套芯片产线的首要门槛。
该材料在整个紫外到红外光谱范围内表现出高透过率，使其适合生产光学级石英玻璃板和超平石英板。可见光透过率超过93%，紫外光透过率可达90%以上，保证光刻过程中光路传输精准、成像稳定。
业界根据光刻工艺的特点严格控制透过率：光刻依靠紫外光穿过掩模版石英光学元件，将电路图案精确投影到涂有光掩模胶的晶圆上。如果石英玻璃的透过率较低，光线就会被吸收和散射，导致图案模糊、边缘扭曲，蚀刻后的电路线宽也会偏离设计要求。
先进的芯片制造工艺已达到数纳米。透过率1%的差异就会显着降低光刻精度，影响芯片的功耗和计算性能。石英几乎不吸收紫外光，而普通玻璃对于紫外光很容易被杂质阻挡，因此高纯度石英是深紫外和极紫外光刻中制作高精度石英板和光学元件的核心基材。综上所述，光刻场景下的透过率直接决定了产能的上限。
耐温性：材料的软化点约为1730℃。可在120℃下长期连续使用，短期耐温1450℃。适用于高温炉用石英管、石英舟、石英坩埚。极低的热膨胀系数提供了优异的抗热震性能，产品在急冷急热的情况下不会破裂，尺寸保持稳定。
化学稳定性：除氢氟酸外，能耐硫酸、硝酸、王水等大多数强酸。其耐高温腐蚀性能也十分突出。多用于防腐石英环、清洗槽配件、定制石英仪器等。
其耐高温的原因在于其主要成分是石英、二氧化硅。硅氧键结构牢固。在1200℃的半导体高温条件下，不易变形，适用于石英管、石英坩埚等结构件。其热膨胀系数仅为普通玻璃的十五分之一，能抵抗频繁的冷热冲击，防止石英棒、石英舟破裂。同时，石英在强酸腐蚀和高温腐蚀中不会变质，适合制备扩散炉管、清洗槽内衬以及各种定制石英仪器。
该材料具有较高的体积电阻率和优异的绝缘性能。可用于制造绝缘隔离石英环、定位石英棒、绝缘基石英片等。它在高温下保持电气稳定性，防止泄漏和损坏半导体器件的性能和可靠性。
等离子刻蚀和离子注入的腔体电场分布高度依赖于绝缘材料；绝缘不充分会导致蚀刻深度和离子注入剂量的偏差，甚至引起晶圆静电损伤和器件失效，降低石英元件的良率。
石英本身电阻率高，在高温下绝缘性能稳定。依靠石英环、石英片等配件，形成可靠的电气隔离，减少工艺气体和离子束对晶圆的不利影响。
要求材料表面光滑、致密、无缺陷。加工成石英管、石英舟、石英坩埚等结构件后，这些产品的强度需要适合工况条件。石英片、石英环、晶圆载具的直径、厚度、平整度必须严格控制，以满足半导体精密加工的标准。
半导体自动化生产线依靠各种石英工具传送晶圆：表面瑕疵容易积垢污染晶圆，造成电路故障；尺寸偏差会导致机械手压碎晶圆，光刻所用石英玻璃的平整度不准确也会导致聚焦异常。因此，石英片、石英管、石英棒、石英环、石英舟、石英坩埚等成品必须无表面缺陷，尺寸公差必须控制在微米范围内。
问题一： 光刻机所用石英玻璃的透光率要求是多少？
答： 光刻机用石英玻璃的透光率需要超过93%。
问题2： 为什么高温扩散氧化过程中使用的石英必须严格控制羟基含量？
答： 羟基会引起石英相变收缩和微裂纹，甚至导致炉管开裂和晶片损坏；因此羟基必须控制在5 ppm以下。
问题三： 光刻石英玻璃透过率不足会带来哪些负面影响？
答： 光线会被吸收和散射，导致图案模糊、边缘变形、蚀刻电路线宽偏离设计要求，进一步降低光刻精度，影响芯片性能。
问题 4： 为什么电绝缘性能对于半导体石英元件很重要？
答： 稳定蚀刻室和离子注入室的电场；绝缘不良会导致蚀刻深度不均匀、注入剂量不准确、晶圆静电损伤和器件失效，降低产品良率。
问题5： 为什么半导体石英成品要求严格的尺寸精度和无瑕疵的表面？
答： 表面缺陷容易积聚污染物，污染晶圆引发电路故障；尺寸偏差可能导致机械手压碎晶圆，光刻石英平整度差会导致聚焦异常。
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