半导体、集成电路和芯片是现代电子技术中不可或缺的核心概念，它们在电子设备的制造和功能实现上起着重要作用。
01
概念区分
半导体
半导体（Semiconductor）是一种导电性能介于导体（如金属）和绝缘体（如陶瓷）之间的材料。与金属导体相比，半导体的电导率较低，但高于绝缘体，半导体的导电特性可以通过控制其电流和电压来实现。常见的半导体材料包括硅（Si）、锗（Ge）、砷化镓（GaAs）等，其中硅是最具影响力的半导体材料之一。
集成电路
集成电路（Integrated CirCuit, 简称IC）是一种微型电子器件或部件，通过特定的工艺将多个电子元件（如晶体管、电阻、电容、二极管等）及其连线集成在一个小巧的单一基板上，并封装在一个管壳内，形成具有特定功能的电路。如果这个基板，采用的是半导体材料（例如硅），或者说，集成电路由半导体材料晶圆制造而来，就属于半导体集成电路。
芯片
芯片是指集成电路在物理上的实现。它是集成电路的具体产物，通常由硅片或其他半导体材料制成，芯片上的电子元件通过微米级别的工艺布局在表面上，形成复杂的电路结构，芯片的设计及制造需要精密的工艺和设备。
半导体是集成电路的基础材料，集成电路则是半导体技术发展的产物。集成电路的制造离不开半导体材料的支持，而半导体材料的发展也推动了集成电路技术的进步。可以理解为，半导体是材料的一种，集成电路是技术的一种，芯片则是实际的产品。
借用一个简单的比喻来理解：半导体就像是建造房子时所用的砖块，集成电路就像是将砖块按照一定的规则摆放在一起形成墙壁、门窗等，侧重电路设计，而芯片则是具体成型的房子，具备了完整的功能，是集成电路的载体。
按照国际通行的半导体产品标准方式进行分类，半导体元件可以分为四类：集成电路，分立器件，传感器和光电子器件，由于集成电路的占比非常高，超过80%，行业习惯把半导体行业称为集成电路行业。芯片是集成电路的载体，广义上将芯片等同于了集成电路。
02
芯片制造过程
芯片的制造过程包括芯片设计、晶圆生产和芯片封装以及测试等多个复杂精密的环节，在晶圆制造和封装过程需要用到半导体材料。
- 芯片设计：芯片设计是行业的顶端，包含电路设计、版图设计和光罩制作。设计方面的主要环节是电路设计，需要考虑多方面因素以及涉及多元知识结构。版图设计和光罩可以借助计算机程序;
- 晶圆生产：可分成7个独立的生产区域：扩散（Thermal Process）、光刻（Photo- lithography）、刻蚀（Etch）、离子注入（Ion Implant）、薄膜生长（Dielectric Deposition）、抛光（CMP）、金属化（Metalization）。其中光罩刻蚀环节最复杂，刻蚀要求越来越高。晶圆制造材料主要包括：硅片、电子气体、光掩膜、光刻胶及配套材料、化学机械抛光液（CMP Polishing Solution）等。晶圆制造材料，是生产集成电路的关键，其质量直接影响到集成电路的性能和可靠性。其中，硅片是制造集成电路的主要基材，也是晶圆生产的主要成本 ；而光刻胶则是在硅片上进行微细图形加工的重要材料；靶材是薄膜沉积工艺中的关键材料，用于控制薄膜的厚度和成分；特种气体则在半导体制程中起到输送和蚀刻的作用；CMP抛光液和抛光垫则用于硅片表面的平整化处理。
- 芯片封装：芯片封装是对生产完毕的IC晶圆片进行切割和接线焊接以及装测，处于行业下游，整体工艺和技术不断发展; 封装材料主要包括：封装基板、引线框架、键合丝、包封材料、陶瓷基板和芯片粘接材料等。封装材料，是保护和固定半导体芯片的重要组成部分，其质量直接影响到半导体产品的寿命和性能。封装基板是半导体芯片的承载体，引线框架则是连接半导体芯片和外部电路的关键部件，键合丝包封材料则用于保护芯片和引线框架免受外界环境的影响。
- 芯片测试：是对成品芯片进行检测，属于质量控制环节。
03
半导体用高纯石英
在半导体工艺制程中，石英制品的应用广泛，涵盖了从高温工艺到低温工艺的多个环节。高温工艺主要包括扩散、氧化等过程，而低温工艺则包括刻蚀、封装、光刻、清洗等步骤。这些工艺对石英制品的性能和纯度有严格要求，以确保半导体器件的性能和可靠性。
(1）高温工艺：涉及较高的工作温度，主要包括扩散和氧化等过程。石英制品要在高温环境中连续工作数个小时，其耐高温性能，热稳定性好，不易变形至关重要；石英制品主要成分是二氧化硅，由于羟基改变了二氧化硅的键合结构，降低了材料的热稳定性，造成石英制品的耐温性能大幅降低，所以高温工艺用石英制品需经过脱羟处理。此外，高温工艺对石英制品性能要求还包括耐腐蚀、透光性好、杂质含量低等。半导体扩散类产品包括不仅限于石英晶舟、石英支架、石英基座、石英底座、石英玻璃炉管/密封管/连接管/均热管/反应管、工艺管、石英法兰等。
（2）低温工艺：包括刻蚀、封装、光刻和清洗等步骤，工作温度相对较低，对石英制品不存在耐高温要求，对石英材料的羟基含量无要求。低温工艺中，石英制品的性能要求主要是纯度高、尺寸精度高，耐腐蚀、透光性好、杂质含量低。半导体刻蚀类产品包括不仅限于石英玻璃钟罩、石英环、石英水槽、石英喷嘴、石英视窗、石英支架等等。
集成电路及半导体用高纯石英材料及制品的要求标准如下：Al、Fe、Ca、Mg、Ti、Cu、Co、Mn、Ni、Li、Na、K、B等13种杂质元素含量的质量分数总和应不大于2.0μg/g，其中Li、Na、K三种杂质元素含量的质量分数之和应不大于1.0μg/g，单一杂质元素含量的质量分数应不大于0.5μg/g。
04
主要高纯石英材料及制品
▶ 石英坩埚
石英坩埚是光伏及半导体领域高纯石英砂的主要制品，主要应用于支持高温条件下连续拉晶，是用来装放多晶硅原料的消耗型石英器件，石英坩埚可主要分为方形和圆形两类，其中方形石英坩埚用于多晶硅锭铸造环节，圆形石英坩埚则用在单晶硅棒拉制环节。
石英坩埚具有洁净、同质、耐高温等性能。从物理热学性能上看，石英坩埚的形变点约为1100℃，软化点约为1730℃，其最高连续使用温度约为1100℃，短时间内可达到1450℃，其高纯和高耐温耐久性为硅棒单晶拉制以及单晶品质提供保障，是单晶拉制系统的关键辅料之一。
在单晶硅片生产流程中，石英坩埚是光伏单晶炉的关键部件。基于单晶硅片纯度的要求，石英坩埚一次至几次加热拉晶完成后即报废，需要购置新的石英坩埚用于下次拉晶，因而在单晶硅产业链中具备较强的消耗品属性特征。
石英坩埚的分类大全
单晶硅生长离不开的“窝”—石英坩埚
石英坩埚质量的核心在于原材料高纯石英砂
▶ 石英晶舟
石英晶舟能够承受高温，而且在高温下也不会出现氧化或溶解，不易染色，有着良好的高温耐受性，化学稳定性（耐酸能力是陶瓷的30倍，不锈钢的150倍）和电绝缘性能。在半导体IC制造过程中，常需要用一种工具作芯片传送、清洗及加工，这种承载芯片的工具一般称为晶舟，其上会设置有多个晶圆槽，每一个晶圆槽用来放置一片晶圆。
石英晶舟的表面和形状需要经过高精度加工，以确保其能够与半导体生产设备精确配合，提高生产效率和质量。加工过程中需要严格控制加工精度和表面质量，避免出现划痕、凹陷等缺陷。
图源半导体石英材料
▶ 石英花篮和石英清洗槽
在硅晶体管和集成电路生产中，半导体产品对金属污染的高度敏感性以及清洗过程中有着特殊的环境需求，几乎每道工序都有硅片清洗，包括化学清洗和物理清洗。化学清洗是为了除去原子、离子不可见的污染，方法较多，有溶剂萃取、酸洗（硫酸、硝酸、王水、各种混合酸等）和等离子体法等。超声波清洗（物理清洗）则能通过将超声波声能传入溶液，靠气蚀作用洗掉片子上的污染。
硅片清洗的好坏对器件性能有严重的影响，所以对石英器件的要求非常高。在清洗过程中需要使用耐酸耐碱的石英器件，其中负责承载硅片的是石英花篮，负责承载洗涤的则是石英清洗槽。石英花篮和石英清洗槽都需要采用高纯度的石英材料制成，以确保在抓取和存放芯片的过程中不会引入任何杂质或污染物。一般来说，金属不纯物的含量应小于10PPM。
石英花篮需要有高纯度、耐腐蚀性、和稳定性来保护芯片不受损害。能够稳固地抓取和存放芯片，避免在移动或加工过程中发生芯片脱落或损坏的情况，尺寸精度要求很高，以确保能够准确地与生产设备对接，并适配不同规格的芯片。
图源东海县艾尔法石英制品有限公司
石英清洗槽的设计应合理，以确保清洗液能够充分接触并均匀作用于被清洗物体，同时避免清洗液在槽内积聚或产生死角。还应配备有效的加热系统，并能够通过温度传感器实现对温度的精确控制。
图源泓芯圆半导体
▶ 石英法兰
高纯石英法兰在单晶硅片扩散、氧化、CVD沉积炉中与石英玻璃扩散管配套使用，主要起连接连接和密封半导体设备中的不同部件的作用。尤其在刻蚀工艺中起到重要的防护作用，它与石英闸门的组合可实现对腔体的密闭防护，紧密围绕在晶圆周围，防止刻蚀制造过程中的各类污染。
石英法兰的尺寸精度要求很高，需要严格按照半导体生产设备的规格和要求进行制造。高精度的尺寸设计有助于确保石英法兰与生产设备之间的紧密配合，提高生产效率和产品质量。
▶ 石英玻璃管
作为承载硅片或其他材料的腔体，半导体生产过程中要求石英玻璃管具有高纯度、精确的几何尺寸（尺寸精度和形状精度）、抗高温变形能力强、透光性高。半导体生产过程中可能会使用到各种化学试剂和气体，因此要求石英玻璃管具有良好的化学稳定性，能够抵抗这些化学物质的侵蚀和腐蚀，确保其在生产过程中的稳定性和可靠性。石英玻璃管的表面应光滑、无划痕、无气泡、无凹陷等缺陷，以确保其在使用过程中不会对半导体器件造成损伤或污染。
半导体用透明石英玻璃管的标准主要包含在《半导体用透明石英玻璃管》这一行业标准中，该标准于2012年7月1日实施。该标准按照GB/TI.1—2009给出的规则起草，并取代了JC/T597—1995《半导体用透明石英玻璃管》的标准。电子级透明石英玻璃管(D级)，D级石英玻璃管要求铝、铁、钙、镁、钛、铜、钴、锰、镍、锂、钠、钾、硼十三种杂质元素的总含量应不大于25.00x10-6，其中：铁含量应不大于0.80x10-6，钛含量应不大于2.00x10-6，铜含量应不大于0.50x10-6，硼含量应不大于0.10x10-6，锂、钠、钾总含量应不大于2.50x10-6。
工信部：重点非金属材料性能要求指导目录
▶ 石英玻璃基板
石英玻璃板是光掩模版中的主要基础材料。光掩膜板是液晶显示器、半导体等制造过程中的图形“底片”转移用的高精密工具，决定了电子元器件产品精度和质量，对于其所使用的石英玻璃材料要求极高，要求高纯度、耐高温、化学稳定性、透光性、机械强度。石英玻璃基板表面无划痕、无气泡等缺陷，尺寸精度高包括基板的厚度、平整度、几何尺寸等参数，需要满足半导体生产工艺的精确要求。
先进封装持续演进 玻璃基板大有可为
光掩模石英玻璃基板现行标准号：GB/T 34178-2017
▶ 光刻用石英玻璃晶圆
光刻用石英玻璃晶圆对石英材料的纯度要求极高。还要求石英玻璃具备良好的透光性，以确保光刻过程中光线能够准确、无损失地穿透晶圆，形成清晰的图案。高透光性的石英玻璃晶圆能够减少光散射和光吸收，提高光刻图案的清晰度和对比度。随着半导体芯片的光刻电路线宽逐渐缩小，对石英玻璃晶圆的光学均匀性要求也越来越高。光学均匀性好的石英玻璃晶圆能够确保光刻图案在整个晶圆表面上的一致性，减少因光学畸变导致的图案失真和缺陷。光刻用石英玻璃晶圆的尺寸精度对半导体器件的性能和成品率有重要影响。晶圆的尺寸精度包括直径、厚度、平整度等参数，需要满足半导体光刻工艺的精确要求。高精度的尺寸控制能够确保光刻图案的准确度和重复性，提高半导体器件的成品率和性能。
晶圆表面质量的好坏直接影响到光刻图案的精度和分辨率。因此，光刻用石英玻璃晶圆需要具备良好的表面质量，包括低粗糙度、无划痕、无气泡等缺陷。这些要求可以通过精密的抛光和清洗等后处理工艺来实现，以提高晶圆表面的平整度和光洁度。虽然光刻工艺本身对石英玻璃晶圆的热稳定性要求不如高温工艺（如扩散、氧化等）那么严格，但在光刻过程中晶圆仍需承受一定的温度变化。因此，光刻用石英玻璃晶圆需要具备一定的热稳定性，以确保在温度变化过程中晶圆的结构和性能保持稳定。
