半導體、集成電路和芯片是現代電子技術中不可或缺的核心概念，它們在電子設備的製造和功能實現上起着重要作用。
01
概念區分
半導體
半導體（Semiconductor）是一種導電性能介於導體（如金屬）和絕緣體（如陶瓷）之間的材料。與金屬導體相比，半導體的電導率較低，但高於絕緣體，半導體的導電特性可以通過控制其電流和電壓來實現。常見的半導體材料包括硅（Si）、鍺（Ge）、砷化鎵（GaAs）等，其中硅是最具影響力的半導體材料之一。
集成電路
集成電路（Integrated CirCuit, 簡稱IC）是一種微型電子器件或部件，通過特定的工藝將多個電子元件（如晶體管、電阻、電容、二極管等）及其連線集成在一個小巧的單一基板上，並封裝在一個管殼內，形成具有特定功能的電路。如果這個基板，採用的是半導體材料（例如硅），或者說，集成電路由半導體材料晶圓製造而來，就屬於半導體集成電路。
芯片
芯片是指集成電路在物理上的實現。它是集成電路的具體產物，通常由硅片或其他半導體材料製成，芯片上的電子元件通過微米級別的工藝布局在表面上，形成複雜的電路結構，芯片的設計及製造需要精密的工藝和設備。
半導體是集成電路的基礎材料，集成電路則是半導體技術發展的產物。集成電路的製造離不開半導體材料的支持，而半導體材料的發展也推動了集成電路技術的進步。可以理解為，半導體是材料的一種，集成電路是技術的一種，芯片則是實際的產品。
借用一個簡單的比喻來理解：半導體就像是建造房子時所用的磚塊，集成電路就像是將磚塊按照一定的規則擺放在一起形成牆壁、門窗等，側重電路設計，而芯片則是具體成型的房子，具備了完整的功能，是集成電路的載體。
按照國際通行的半導體產品標準方式進行分類，半導體元件可以分為四類：集成電路，分立器件，傳感器和光電子器件，由於集成電路的佔比非常高，超過80%，行業習慣把半導體行業稱為集成電路行業。芯片是集成電路的載體，廣義上將芯片等同於了集成電路。
02
芯片製造過程
芯片的製造過程包括芯片設計、晶圓生產和芯片封裝以及測試等多個複雜精密的環節，在晶圓製造和封裝過程需要用到半導體材料。
- 芯片設計：芯片設計是行業的頂端，包含電路設計、版圖設計和光罩製作。設計方面的主要環節是電路設計，需要考慮多方面因素以及涉及多元知識結構。版圖設計和光罩可以藉助計算機程序;
- 晶圓生產：可分成7個獨立的生產區域：擴散（Thermal Process）、光刻（Photo- lithography）、刻蝕（Etch）、離子注入（Ion Implant）、薄膜生長（Dielectric Deposition）、拋光（CMP）、金屬化（Metalization）。其中光罩刻蝕環節最複雜，刻蝕要求越來越高。晶圓製造材料主要包括：硅片、電子氣體、光掩膜、光刻膠及配套材料、化學機械拋光液（CMP Polishing Solution）等。晶圓製造材料，是生產集成電路的關鍵，其質量直接影響到集成電路的性能和可靠性。其中，硅片是製造集成電路的主要基材，也是晶圓生產的主要成本 ；而光刻膠則是在硅片上進行微細圖形加工的重要材料；靶材是薄膜沉積工藝中的關鍵材料，用於控制薄膜的厚度和成分；特種氣體則在半導體製程中起到輸送和蝕刻的作用；CMP拋光液和拋光墊則用於硅片表面的平整化處理。
- 芯片封裝：芯片封裝是對生產完畢的IC晶圓片進行切割和接線焊接以及裝測，處於行業下游，整體工藝和技術不斷發展; 封裝材料主要包括：封裝基板、引線框架、鍵合絲、包封材料、陶瓷基板和芯片粘接材料等。封裝材料，是保護和固定半導體芯片的重要組成部分，其質量直接影響到半導體產品的壽命和性能。封裝基板是半導體芯片的承載體，引線框架則是連接半導體芯片和外部電路的關鍵部件，鍵合絲包封材料則用於保護芯片和引線框架免受外界環境的影響。
- 芯片測試：是對成品芯片進行檢測，屬於質量控制環節。
03
半導體用高純石英
在半導體工藝製程中，石英製品的應用廣泛，涵蓋了從高溫工藝到低溫工藝的多個環節。高溫工藝主要包括擴散、氧化等過程，而低溫工藝則包括刻蝕、封裝、光刻、清洗等步驟。這些工藝對石英製品的性能和純度有嚴格要求，以確保半導體器件的性能和可靠性。
(1）高溫工藝：涉及較高的工作溫度，主要包括擴散和氧化等過程。石英製品要在高溫環境中連續工作數個小時，其耐高溫性能，熱穩定性好，不易變形至關重要；石英製品主要成分是二氧化硅，由於羥基改變了二氧化硅的鍵合結構，降低了材料的熱穩定性，造成石英製品的耐溫性能大幅降低，所以高溫工藝用石英製品需經過脫羥處理。此外，高溫工藝對石英製品性能要求還包括耐腐蝕、透光性好、雜質含量低等。半導體擴散類產品包括不僅限於石英晶舟、石英支架、石英基座、石英底座、石英玻璃爐管/密封管/連接管/均熱管/反應管、工藝管、石英法蘭等。
（2）低溫工藝：包括刻蝕、封裝、光刻和清洗等步驟，工作溫度相對較低，對石英製品不存在耐高溫要求，對石英材料的羥基含量無要求。低溫工藝中，石英製品的性能要求主要是純度高、尺寸精度高，耐腐蝕、透光性好、雜質含量低。半導體刻蝕類產品包括不僅限於石英玻璃鐘罩、石英環、石英水槽、石英噴嘴、石英視窗、石英支架等等。
集成電路及半導體用高純石英材料及製品的要求標準如下：Al、Fe、Ca、Mg、Ti、Cu、Co、Mn、Ni、Li、Na、K、B等13種雜質元素含量的質量分數總和應不大於2.0μg/g，其中Li、Na、K三種雜質元素含量的質量分數之和應不大於1.0μg/g，單一雜質元素含量的質量分數應不大於0.5μg/g。
04
主要高純石英材料及製品
▶ 石英坩堝
石英坩堝是光伏及半導體領域高純石英砂的主要製品，主要應用於支持高溫條件下連續拉晶，是用來裝放多晶硅原料的消耗型石英器件，石英坩堝可主要分為方形和圓形兩類，其中方形石英坩堝用於多晶硅錠鑄造環節，圓形石英坩堝則用在單晶硅棒拉制環節。
石英坩堝具有潔凈、同質、耐高溫等性能。從物理熱學性能上看，石英坩堝的形變點約為1100℃，軟化點約為1730℃，其最高連續使用溫度約為1100℃，短時間內可達到1450℃，其高純和高耐溫耐久性為硅棒單晶拉制以及單晶品質提供保障，是單晶拉制系統的關鍵輔料之一。
在單晶硅片生產流程中，石英坩堝是光伏單晶爐的關鍵部件。基於單晶硅片純度的要求，石英坩堝一次至幾次加熱拉晶完成後即報廢，需要購置新的石英坩堝用於下次拉晶，因而在單晶硅產業鏈中具備較強的消耗品屬性特徵。
石英坩堝的分類大全
單晶硅生長離不開的「窩」—石英坩堝
石英坩堝質量的核心在於原材料高純石英砂
▶ 石英晶舟
石英晶舟能夠承受高溫，而且在高溫下也不會出現氧化或溶解，不易染色，有着良好的高溫耐受性，化學穩定性（耐酸能力是陶瓷的30倍，不鏽鋼的150倍）和電絕緣性能。在半導體IC製造過程中，常需要用一種工具作芯片傳送、清洗及加工，這種承載芯片的工具一般稱為晶舟，其上會設置有多個晶圓槽，每一個晶圓槽用來放置一片晶圓。
石英晶舟的表面和形狀需要經過高精度加工，以確保其能夠與半導體生產設備精確配合，提高生產效率和質量。加工過程中需要嚴格控制加工精度和表面質量，避免出現劃痕、凹陷等缺陷。
圖源半導體石英材料
▶ 石英花籃和石英清洗槽
在硅晶體管和集成電路生產中，半導體產品對金屬污染的高度敏感性以及清洗過程中有着特殊的環境需求，幾乎每道工序都有硅片清洗，包括化學清洗和物理清洗。化學清洗是為了除去原子、離子不可見的污染，方法較多，有溶劑萃取、酸洗（硫酸、硝酸、王水、各種混合酸等）和等離子體法等。超聲波清洗（物理清洗）則能通過將超聲波聲能傳入溶液，靠氣蝕作用洗掉片子上的污染。
硅片清洗的好壞對器件性能有嚴重的影響，所以對石英器件的要求非常高。在清洗過程中需要使用耐酸耐鹼的石英器件，其中負責承載硅片的是石英花籃，負責承載洗滌的則是石英清洗槽。石英花籃和石英清洗槽都需要採用高純度的石英材料製成，以確保在抓取和存放芯片的過程中不會引入任何雜質或污染物。一般來說，金屬不純物的含量應小於10PPM。
石英花籃需要有高純度、耐腐蝕性、和穩定性來保護芯片不受損害。能夠穩固地抓取和存放芯片，避免在移動或加工過程中發生芯片脫落或損壞的情況，尺寸精度要求很高，以確保能夠準確地與生產設備對接，並適配不同規格的芯片。
圖源東海縣艾爾法石英製品有限公司
石英清洗槽的設計應合理，以確保清洗液能夠充分接觸並均勻作用於被清洗物體，同時避免清洗液在槽內積聚或產生死角。還應配備有效的加熱系統，並能夠通過溫度傳感器實現對溫度的精確控制。
圖源泓芯圓半導體
▶ 石英法蘭
高純石英法蘭在單晶硅片擴散、氧化、CVD沉積爐中與石英玻璃擴散管配套使用，主要起連接連接和密封半導體設備中的不同部件的作用。尤其在刻蝕工藝中起到重要的防護作用，它與石英閘門的組合可實現對腔體的密閉防護，緊密圍繞在晶圓周圍，防止刻蝕製造過程中的各類污染。
石英法蘭的尺寸精度要求很高，需要嚴格按照半導體生產設備的規格和要求進行製造。高精度的尺寸設計有助於確保石英法蘭與生產設備之間的緊密配合，提高生產效率和產品質量。
▶ 石英玻璃管
作為承載硅片或其他材料的腔體，半導體生產過程中要求石英玻璃管具有高純度、精確的幾何尺寸（尺寸精度和形狀精度）、抗高溫變形能力強、透光性高。半導體生產過程中可能會使用到各種化學試劑和氣體，因此要求石英玻璃管具有良好的化學穩定性，能夠抵抗這些化學物質的侵蝕和腐蝕，確保其在生產過程中的穩定性和可靠性。石英玻璃管的表面應光滑、無劃痕、無氣泡、無凹陷等缺陷，以確保其在使用過程中不會對半導體器件造成損傷或污染。
半導體用透明石英玻璃管的標準主要包含在《半導體用透明石英玻璃管》這一行業標準中，該標準於2012年7月1日實施。該標準按照GB/TI.1—2009給出的規則起草，並取代了JC/T597—1995《半導體用透明石英玻璃管》的標準。電子級透明石英玻璃管(D級)，D級石英玻璃管要求鋁、鐵、鈣、鎂、鈦、銅、鈷、錳、鎳、鋰、鈉、鉀、硼十三種雜質元素的總含量應不大於25.00x10-6，其中：鐵含量應不大於0.80x10-6，鈦含量應不大於2.00x10-6，銅含量應不大於0.50x10-6，硼含量應不大於0.10x10-6，鋰、鈉、鉀總含量應不大於2.50x10-6。
工信部：重點非金屬材料性能要求指導目錄
▶ 石英玻璃基板
石英玻璃板是光掩模版中的主要基礎材料。光掩膜板是液晶顯示器、半導體等製造過程中的圖形「底片」轉移用的高精密工具，決定了電子元器件產品精度和質量，對於其所使用的石英玻璃材料要求極高，要求高純度、耐高溫、化學穩定性、透光性、機械強度。石英玻璃基板表面無劃痕、無氣泡等缺陷，尺寸精度高包括基板的厚度、平整度、幾何尺寸等參數，需要滿足半導體生產工藝的精確要求。
先進封裝持續演進 玻璃基板大有可為
光掩模石英玻璃基板現行標準號：GB/T 34178-2017
▶ 光刻用石英玻璃晶圓
光刻用石英玻璃晶圓對石英材料的純度要求極高。還要求石英玻璃具備良好的透光性，以確保光刻過程中光線能夠準確、無損失地穿透晶圓，形成清晰的圖案。高透光性的石英玻璃晶圓能夠減少光散射和光吸收，提高光刻圖案的清晰度和對比度。隨着半導體芯片的光刻電路線寬逐漸縮小，對石英玻璃晶圓的光學均勻性要求也越來越高。光學均勻性好的石英玻璃晶圓能夠確保光刻圖案在整個晶圓表面上的一致性，減少因光學畸變導致的圖案失真和缺陷。光刻用石英玻璃晶圓的尺寸精度對半導體器件的性能和成品率有重要影響。晶圓的尺寸精度包括直徑、厚度、平整度等參數，需要滿足半導體光刻工藝的精確要求。高精度的尺寸控制能夠確保光刻圖案的準確度和重複性，提高半導體器件的成品率和性能。
晶圓表面質量的好壞直接影響到光刻圖案的精度和分辨率。因此，光刻用石英玻璃晶圓需要具備良好的表面質量，包括低粗糙度、無劃痕、無氣泡等缺陷。這些要求可以通過精密的拋光和清洗等後處理工藝來實現，以提高晶圓表面的平整度和光潔度。雖然光刻工藝本身對石英玻璃晶圓的熱穩定性要求不如高溫工藝（如擴散、氧化等）那麼嚴格，但在光刻過程中晶圓仍需承受一定的溫度變化。因此，光刻用石英玻璃晶圓需要具備一定的熱穩定性，以確保在溫度變化過程中晶圓的結構和性能保持穩定。
