石英玻璃产业化纪实

    集成电路用石英玻璃产品市场的主要份额集中在亚洲和欧洲国家，其生产技术在国际上属于高新技术，几年前，只有德、日、美等少数发达国家拥有这种技术，并实现机械化、自动化规模生产。近年来，中国建筑材料科学研究总院材料生产质量和加工水平的快速提升，使之具备了批量生产、销售该类产品的能力。

　　随着中国建材总院与多家国内外客户达成了长期合作的意向，我国企业已不再纯粹依赖国外进口，而是将其部分订单逐步移交中国建材总院进行加工和生产。目前该项目产品除满足国内市场销售外，还有部分出口韩国、德国等国家和地区，客户涵盖湖南韶光铬版有限公司、合肥嘉东科技有限公司、连云港硅宇石英玻璃有限公司、福建华科光电有限公司、成都光引科技有限责任公司、台湾Semiconductor WaferInc、德国Siegert Consultinge.K.等。

　　石英玻璃属于典型的脆硬材料，光学冷加工难度大，加工效率低，其生产工艺较为复杂。中国建材总院项目组通过对精密加工技术的研发，引入或试制了多种精密加工设备，并开发、完善了集成开发掩膜版用高精度石英玻璃基片的精密加工技术与系统。中国建材总院建立的石英玻璃基板生产线，实现了产品的批量加工、高精度加工，在保证产量的同时其质量也能够完全满足IC产业光掩膜版用玻璃基板的高精度要求。

　　自然界当中的石英矿石往往含有多种杂质，将石英矿石粉碎、提纯可获取纯度较高石英砂。石英砂通过熔炼生成石英玻璃是国内最为常见的手段，而为了获取纯度更高的石英玻璃，则需通过化学手段。

　　中国建材总院利用多晶硅生产中的废弃物SiCl4为原料、以氯碱化工的副产品H2为能源、采用立式化学气相沉积（CVD：Chemical Vapor Deposition）工艺合成石英玻璃。此方法制备石英砣的纯度更高，可以满足光掩膜版对于石英玻璃基板纯度的要求，中国建材总院拥有此项技术的知识产权。

　　众所周知，当材料的密度存在变化时，光在其介质当中传播的速度会存在差异，这种差异很可能造成入射光线角度的改变（即产生折射），光线角度细微的变化就无法满足光刻加工的精度要求。通过对合成石英坨真空下的槽沉均化，可以使石英玻璃的内质（密度）更加均匀，并去除合成环节当中的气泡，从而有效避免光刻加工当中光因材料密度不均而造成的变轨。

　　虽然均化工艺使得石英玻璃内质均匀，但经过升温、降温过程，石英玻璃内部会产生热应力，石英玻璃的热应力同样会对石英玻璃的光学及力学性能产生影响。为消除这一危害，需要对石英玻璃进行退火，提高石英玻璃的光学均匀性、机械强度和结构稳定性。在传统退火工艺的基础上，中国建材总院采用有限元软件ANSYS对石英玻璃退火过程的温度场进行模拟，借以研究退火参数对退火过程的影响。根据石英玻璃退火过程中温度场和应力场的特点创建了石英玻璃退火几何模型，模拟了升温及温度均匀后的温度和应力分布，为实际退火过程的参数优化提供了指导。

　　随着产品需求量的大增，传统的切割方式已无法满足规模化批量生产的需求，且存在极大浪费。在这种状况下，中国建材总院将多刀切割技术引入到石英玻璃光掩膜基片的生产之中，采用多刀切割技术可进行单次、同时、大量切割，生产效率大幅提高。多刀切割技术利用金属刀片与液体磨料的相互作用对石英玻璃进行切割，其成品端面平整精度较高。中国建材总院相关科研技术人员在研究如何高效、经济地进行多刀切割的过程中，解决了刀条断裂、玻璃片厚度不均、玻璃片表面沟槽等重点问题，综合粘接、排刀、上刀、切割整个过程，形成了独有的多刀切割工艺。

　　为满足不同厂家客户对于各类别规格石英玻璃基板尺寸的要求，中国建材总院配备了平面磨床、万能磨床、倒角机等各类成型加工仪器，并对多种仪器进行了改良。平面磨床主要对石英玻璃表面进行粗磨加工。万能磨床加工各类异型产品，实现石英玻璃基板尺寸的快速精密加工。为保证后续步骤的成品率并考虑到用户使用时的安全，中国建材总院利用改良的倒角设备对石英玻璃基板的锐边及客户要求的直边进行倒角。

　　石英玻璃的细磨与精抛原理相似，都是利用研磨液在某一特定压力下进行磨削的过程，精抛的加工精度要高于细磨。随着订单数量的增加及交付时间的缩短，传统的单面磨抛已无法满足当前市场。经过大量的研究实验，中国建材总院试制成功了精密双面研磨及抛光工艺，总结得到一系列的浆料筛选和配置参数。针对双面磨抛技术在石英玻璃厚度较薄的情况下极易出现各类缺陷等问题，中国建材总院经过尝试与改良，发现通过逐步加压法对石英玻璃基板进行加工，可防止因厚度偏差引起的崩边和破裂，极大地提高了加工速度及成品率。

　　十多年前，我国芯片制造技术还严重滞后于欧美及日本，近十年来随着国家的大力扶持以及行业前景持续向好，我国集成电路生产技术已取得令人瞩目的进步。未来，我国集成电路制造业的产能还将稳步增长。作为生产集成电路的配套消耗性材料，光掩膜基板用石英玻璃批量生产的意义不言而喻。中国建材总院将继续努力，优化各类生产工艺和研发性能更加完善的产品，为我国集成电路制造产业链提供保障。