中國粉體網訊 近年來，半導體技術的集成化發(fā)展迅速，制造半導體器件的光刻法工藝得到提升，對半導體器件的材料精度要求也越來越高。光掩膜技術作為半導體技術中的重要組成部分，其制作材料包含玻璃基板、鍍鉻膜層、光刻膠、光學膜等，其中玻璃基板為主要的原材料。光掩膜基板主要應用于半導體芯片、平板顯示領域，兩大下游市場規(guī)模近年來快速增長。
光掩膜玻璃基板根據玻璃組分可分為石英玻璃掩膜基板、硼硅玻璃掩膜基板和蘇打玻璃（鈉鈣玻璃）掩膜基板等，其中石英玻璃基板光學透過率高，熱膨脹率低、光譜特性優(yōu)良，具有較高硬度和較長的使用壽命，適用于高精度光掩膜基板的制造，在光掩膜基板的材料選擇中更具備優(yōu)勢，且市場需求逐年遞增。隨著對光掩膜石英玻璃基板的材料性質和加工精度要求越來越高，其制備的工藝要求也越來越嚴苛，石英玻璃基板的主要工藝包括石英錠熔制、熱加工和冷加工等。
石英錠的熔制工藝
合成石英錠是光掩膜基板的核心材料。制備石英錠的工藝主要分為兩類：熔煉石英玻璃和合成石英玻璃。熔煉石英玻璃的制造工藝主要是電熔工藝和氣煉工藝，合成石英玻璃的制造工藝可分為化學氣相沉積（CVD）、等離子化學氣相沉積（PCVD）、間接合成法等。
電熔工藝
電熔法是通過電加熱將坩堝內的粉末狀石英原料進行熔化，隨后經過快速冷卻的玻璃化過程形成石英玻璃。電加熱的方式包括電阻加熱、電磁感應加熱等。在熔化過程中石英晶體的結構歷經從β-石英到α-石英，再到α-方石英（同時伴隨有非晶相的產生）的轉變，直至加熱到約1723℃時開始形成石英熔體。石英粉料的熔化過程通常在高度真空（0.1~10Pa）的環(huán)境中進行，以去除該過程中釋放產生的氣體和降低石英玻璃中的氣泡含量。
采用電熔法制備的石英玻璃，其品質主要取決于原料的純度。石英原料中的金屬雜質通常很難去除，因此電熔石英玻璃中的金屬雜質一般含量較高且難以控制。通過烘干可以有效去除石英粉料中的水分，因此采用電熔法可以制備出羥基含量較低的石英玻璃。
氣煉法
是利用氫氧焰將天然石英熔化，然后在石英玻璃靶面上逐漸堆積而成。目前，氣煉法技術中的氫氧焰燃燒器多由石英玻璃管制成，有單組和多組之分，其結構的合理性直接關系到生產效率和產品品質。該工藝設備簡單，綜合能耗低，制備的熔融石英玻璃氣泡少，但是產品尺寸誤差較大，易形成不光滑的波紋狀表面。另外，采用氫氧焰制備時，氫氣分子或者是氫氣與氧氣燃燒時生成的水會分別與二氧化硅反應生成羥基，導致產品中羥基含量偏高。
化學氣相沉積法（CVD）
化學氣相沉積工藝是指以SiCl4等含硅化合物為原材料，在氫氧焰中高溫水解或氧化生成SiO2微粒，沉積在基體表面形成高純合成石英玻璃。CVD合成石英玻璃的特性為金屬雜質含量低、紫外透過率高、光學均勻性高、耐輻照性能優(yōu)越等，但由于原料高溫水解產生眾多水分，羥基含量一般在１‰以上。
等離子化學氣相沉積工藝（PCVD）
PVCD工藝是采用高純SiCl4為原料，以高頻等離子體火焰代替氫氧焰作為熱源，在高溫環(huán)境中發(fā)生反應。PCVD工藝合成的石英玻璃具有金屬雜質和羥基含量低、全光譜透過性能優(yōu)越、光學均勻性高等特性，但工藝復雜、設備要求高、成本高，目前國際上只有美、日、德等少數(shù)國家技術成熟，國內相關報道較少。
間接合成法
間接合成法是將石英玻璃的制造劃分成兩個工序，包括SiO2粉末體的沉積和燒結，因此也稱為“兩步法”工藝。粉末體沉積的溫度環(huán)境比CVD工藝低很多形成的是低密度的SiO2粉末體。之后將粉末體進行燒結，其中可包含摻雜、脫水、脫氣等工序，最后實現(xiàn)玻璃化。
相比于直接法，間接合成法的優(yōu)勢在于沉積速度快、成本低、易摻雜和脫羥，適合深紫外透過、高抗激光損傷石英玻璃的制造，可應用于光刻和激光技術領域。但是間接合成法制造高端光學石英玻璃的技術主要被國外壟斷。
綜合來看，電熔和氣煉工藝都是在高溫下熔制高純石英砂形成石英玻璃，由于石英砂純度和熔制工藝的影響，制備的石英玻璃純度低，紫外透過率差，存在較多氣泡、雜點等缺陷，嚴重影響其光學性能，無法滿足高端光電技術領域的應用需求。相比而言，合成石英玻璃在性能上有很大不同，具有高遠紫外透過率，高光學均勻性，優(yōu)越的耐輻射性能等，在光掩膜石英玻璃基板中應用更加廣泛。
石英玻璃基板的熱加工工藝
石英錠在高溫熔制過程中，會產生氣泡、顆粒、條紋、熱應力、羥基等結構缺陷，會影響石英玻璃的使用性能。光掩膜石英玻璃基板的熱加工包括高溫均化、精密退火等工藝，主要目的是減少內部氣泡、顆粒和消除應力等結構缺陷，同時使得石英玻璃基板成型。
高溫均化
高溫均化的過程是不均體的溶解（如未熔融的石英顆粒和氣泡）和分子離子的擴散（如金屬雜質離子和羥基）。高溫均化的工藝參數(shù)主要有溫度、壓力、均化時間等，石英玻璃在合適的溫度和壓力條件下，均化一定的時間能有效改善材料的結構均勻性與性能穩(wěn)定性。
精密退火
石英玻璃在熔制和熱加工的冷卻過程中，內外溫差會產生熱應力，應力的存在和不均勻分布會大大降低石英玻璃的光學均勻性、機械強度和結構穩(wěn)定性。精密退火工藝可消除或減小熱應力至允許值，改善由溫差變化造成的密度和折射率不均勻現(xiàn)象，進而提高石英玻璃各項性能。
石英玻璃基板的冷加工工藝
傳統(tǒng)的熱加工工藝無法滿足光掩膜石英玻璃基板愈加嚴苛的表面加工精度要求，需要通過冷加工的方式對表面進行處理。石英玻璃基板涉及的冷加工工藝主要有切割、開方、倒角、精密磨拋等，其中要求最高、難度最大的就是精密磨拋，決定了加工后的產品表面質量和面形精度。
精密磨拋主要分為研磨和拋光，兩者的工作原理相似，都是使用磨粒對材料進行磨除。其中研磨的磨粒粒徑更大，主要是為了去除加工余量，并對工件表面進行修整，研磨效率影響著拋光的表面質量和時間，研磨效果直接關系著石英玻璃基板的表面平整度和粗糙度。拋光的目的是提高石英片的表面質量，如粗糙度、平整度等，同時去除研磨過程中產生的表面殘余應力，拋光的質量直接決定著石英玻璃基板的加工精度和表面質量，是冷加工工藝中最關鍵的一步。目前，石英玻璃基板的拋光工藝主要采用化學機械拋光（CMP）的方法，即采用化學和機械結合的方式。
光掩膜石英玻璃基板發(fā)展現(xiàn)狀
2010年以來，我國加大了對光掩膜玻璃基板研發(fā)和產業(yè)化進程。首先，中國建材總院項目組通過對精密加工技術的研發(fā)，引入或試制了多種精密加工設備，并開發(fā)、完善了集成開發(fā)光掩膜板用高精度石英玻璃基片的精密加工技術與系統(tǒng)。中國建材總院建立的石英玻璃基板生產線，實現(xiàn)了產品的批量加工、高精度加工，在保證產量的同時其質量也能夠完全滿足IC產業(yè)光掩膜板用玻璃基板的高精度要求。
菲利華為國內合成石英玻璃制造領域技術領先企業(yè)，其高端光學合成石英材料已在多個國家重點研究項目中使用。平顯用光掩膜基板分世代，2018年8月，公司研發(fā)出G8代光掩膜基板。2021年，公司在國內獨家研發(fā)生產G8.5代光掩膜基板。2022年，公司10.5代TFT-LCD光掩膜基板已研發(fā)成功，具備量產能力。
結語
高純度石英制品是半導體材料生產過程中的關鍵性輔助耗材，其中光掩膜基板主要的基礎材料是高純石英玻璃片。半導體集成電路（IC）、顯示面板和PCB等產業(yè)的發(fā)展，必將帶動我國光掩膜板行業(yè)等迅速發(fā)展，作為光掩膜板上游的光掩膜玻璃基板產業(yè)必將受到強有力的拉動，尤其是光掩膜石英玻璃基板的發(fā)展將進一步加快。
參考來源：
陳婭麗等.光掩膜石英玻璃基板的制造工藝概述
劉志海.我國光掩模玻璃基板的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢
譚琦.熔融石英玻璃制備工藝研究進展
馬千里.高純石英玻璃制備過程的研究和工藝優(yōu)化
東亞前海證券.菲利華:下游需求多重共振，石英高潛力龍頭未來可期
（中國粉體網編輯整理/初末）
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