堅(jiān)持科技創(chuàng)新 沖破技術(shù)壟斷——中國建材總院光掩膜基版用石英玻璃產(chǎn)業(yè)化紀(jì)實(shí)

【中玻網(wǎng)】集成電路用石英玻璃產(chǎn)品市場(chǎng)的主要份額集中在亞洲和歐洲國家，其生產(chǎn)技術(shù)在全部上屬于高新技術(shù)，幾年前，只有德、日、美等少數(shù)發(fā)達(dá)國家擁有這種技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化規(guī)模生產(chǎn)。近年來，中國建筑材料科學(xué)研究總院材料生產(chǎn)質(zhì)量和加工水平的快速提升，使之具備了批量生產(chǎn)、銷售該類產(chǎn)品的能力。
　　
　　隨著中國建材總院與多家國內(nèi)外客戶達(dá)成了長期合作的意向，我國企業(yè)已不再純粹依賴國外進(jìn)口，而是將其部分訂單逐步移交中國建材總院進(jìn)行加工和生產(chǎn)。目前該項(xiàng)目產(chǎn)品除滿足國內(nèi)市場(chǎng)銷售外，還有部分出口韓國、德國等國家和地區(qū)，客戶涵蓋湖南韶光鉻版有限公司、合肥嘉東科技有限公司、連云港硅宇石英玻璃有限公司、福建華科光電有限公司、成都光引科技有限責(zé)任公司、寶島Semiconductor WaferInc、德國Siegert Consultinge.K.等。
　　
　　集成電路（IC：Integrated Circuit）是現(xiàn)代高科技的核心與先導(dǎo)，其產(chǎn)品具有較其廣闊的市場(chǎng)需求及發(fā)展前景，而光刻技術(shù)是制作集成電路的關(guān)鍵。在半導(dǎo)體芯片的制造環(huán)節(jié)中，較重要的步驟就是從版圖到wafer制造中間的一個(gè)過程，即光掩膜或光罩(Mask)制造。常見的光掩膜有四種：鉻版(chrome)、干版、凸版及液體凸版，組成部分包括基板和不透光材料。勻膠鉻版是一種硬面光掩膜材料，即光掩膜基版，它是當(dāng)前及未來微細(xì)加工光掩膜制作的主流感光材料，用以制作光掩膜版的玻璃必須內(nèi)部和外表面均無缺點(diǎn)，在光刻膠的曝光波長下有高的光學(xué)透過率。當(dāng)前大部分國家集成電路工業(yè)發(fā)展迅速，硅片尺寸向8→12→16擴(kuò)大，集成度越來越高，布線寬度向0.25→0.16→0.08μm精度發(fā)展，曝光光線也由可見光轉(zhuǎn)為近紫外光，甚至遠(yuǎn)紫外光，目前主流光刻技術(shù)為：248nmDUV技術(shù)（KrF準(zhǔn)分子激光0.10μm特征尺寸）和193nmDUV技術(shù)（ArF準(zhǔn)分子激光0.09μm特征尺寸），因此基片局部微小氣泡等缺點(diǎn)都會(huì)使構(gòu)圖產(chǎn)生致命錯(cuò)誤，這對(duì)光掩膜用石英玻璃質(zhì)量提出了更高的要求：高紫外透過率、高光學(xué)均勻性、高內(nèi)在質(zhì)量及高表面加工質(zhì)量。
　　
　　石英玻璃屬于典型的脆硬材料，光學(xué)冷加工難度大，加工效率低，其生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜。中國建材總院項(xiàng)目組通過對(duì)準(zhǔn)確加工技術(shù)的研發(fā)，引入或試制了多種準(zhǔn)確加工設(shè)備，并開發(fā)、完善了集成開發(fā)掩膜版用高精度石英玻璃基片的準(zhǔn)確加工技術(shù)與系統(tǒng)。中國建材總院建立的石英玻璃基板生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的批量加工、高精度加工，在保證產(chǎn)量的同時(shí)其質(zhì)量也能夠完全滿足IC產(chǎn)業(yè)光掩膜版用玻璃基板的高精度要求。
　　
　　經(jīng)中國建材總院研發(fā)整合、簡化改良的基本生產(chǎn)工藝大致可以分為下圖所示的六個(gè)環(huán)節(jié)：
　　
　　自然界當(dāng)中的石英礦石往往含有多種雜質(zhì)，將石英礦石粉碎、提純可獲取純度較高石英砂。石英砂通過熔煉生成石英玻璃是國內(nèi)較為常見的手段，而為了獲取純度更高的石英玻璃，則需通過化學(xué)手段。
　　
　　中國建材總院利用多晶硅生產(chǎn)中的廢棄物SiCl4為原料、以氯堿化工的副產(chǎn)品H2為能源、采用立式化學(xué)氣相沉積（CVD：Chemical Vapor Deposition）工藝合成石英玻璃。此方法制備石英砣的純度更高，可以滿足光掩膜版對(duì)于石英玻璃基板純度的要求，中國建材總院擁有此項(xiàng)技術(shù)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。
　　
　　眾所周知，當(dāng)材料的密度存在變化時(shí)，光在其介質(zhì)當(dāng)中傳播的速度會(huì)存在差異，這種差異很可能造成入射光線角度的改變（即產(chǎn)生折射），光線角度細(xì)微的變化就無法滿足光刻加工的精度要求。通過對(duì)合成石英坨真空下的槽沉均化，可以使石英玻璃的內(nèi)質(zhì)（密度）更加均勻，并去除合成環(huán)節(jié)當(dāng)中的氣泡，從而有效避免光刻加工當(dāng)中光線因材料密度不均而造成的變軌。
　　
　　雖然均化工藝使得石英玻璃內(nèi)質(zhì)均勻，但經(jīng)過升溫、降溫過程，石英玻璃內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，石英玻璃的熱應(yīng)力同樣會(huì)對(duì)石英玻璃的光學(xué)及力學(xué)性能產(chǎn)生影響。為清理這一危害，需要對(duì)石英玻璃進(jìn)行退火，提高石英玻璃的光學(xué)均勻性、機(jī)械強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在傳統(tǒng)退火工藝的基礎(chǔ)上，中國建材總院采用有限元軟件ANSYS對(duì)石英玻璃退火過程的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，借以研究退火參數(shù)對(duì)退火過程的影響。根據(jù)石英玻璃退火過程中溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的特點(diǎn)創(chuàng)建了石英玻璃退火幾何模型，模擬了升溫及溫度均勻后的溫度和應(yīng)力分布，為實(shí)際退火過程的參數(shù)優(yōu)化提供了指導(dǎo)。
　　
　　隨著產(chǎn)品需求量的大增，傳統(tǒng)的切割方式已無法滿足規(guī)�；可a(chǎn)的需求，且存在較大浪費(fèi)。在這種狀況下，中國建材總院將多刀切割技術(shù)引入到石英玻璃光掩膜基片的生產(chǎn)之中，采用多刀切割技術(shù)可進(jìn)行單次、同時(shí)、大量切割，生產(chǎn)效率大幅提高。多刀切割技術(shù)利用金屬刀片與液體磨料的相互作用對(duì)石英玻璃進(jìn)行切割，其成品端面平整精度較高。中國建材總院相關(guān)科研技術(shù)人員在研究如何效率高、經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行多刀切割的過程中，解決了刀條斷裂、玻璃片厚度不均、玻璃片表面溝槽等要點(diǎn)問題，綜合粘接、排刀、上刀、切割整個(gè)過程，形成了獨(dú)有的多刀切割工藝。
　　
　　為滿足不同廠家客戶對(duì)于各類別規(guī)格石英玻璃基板尺寸的要求，中國建材總院配備了平面磨床、多功能磨床、倒角機(jī)等各類成型加工儀器，并對(duì)多種儀器進(jìn)行了改良。平面磨床主要對(duì)石英玻璃表面進(jìn)行粗磨加工。多功能磨床加工各類異型產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)石英玻璃基板尺寸的快速準(zhǔn)確加工。為保證后續(xù)步驟的成品率并考慮到用戶使用時(shí)的安全，中國建材總院利用改良的倒角設(shè)備對(duì)石英玻璃基板的銳邊及客戶要求的直邊進(jìn)行倒角。
　　
　　石英玻璃的細(xì)磨與精拋原理相似，都是利用研磨液在某一特定壓力下進(jìn)行磨削的過程，精拋的加工精度要高于細(xì)磨。隨著訂單數(shù)量的增加及交付時(shí)間的縮短，傳統(tǒng)的單面磨拋已無法滿足當(dāng)前市場(chǎng)。經(jīng)過大量的研究實(shí)驗(yàn)，中國建材總院試制成功了準(zhǔn)確雙面研磨及拋光工藝，總結(jié)得到一系列的漿料篩選和配置參數(shù)。針對(duì)雙面磨拋技術(shù)在石英玻璃厚度較薄的情況下較易出現(xiàn)各類缺點(diǎn)等問題，中國建材總院經(jīng)過嘗試與改良，發(fā)現(xiàn)通過逐步加壓法對(duì)石英玻璃基板進(jìn)行加工，可防止因厚度偏差引起的崩邊和破裂，較大地提高了加工速度及成品率。
　　
　　十多年前，我國芯片制造技術(shù)還嚴(yán)重滯后于歐美及日本，近十年來隨著國家的大力扶持以及行業(yè)前景持續(xù)向好，我國集成電路生產(chǎn)技術(shù)已取得令人矚目的進(jìn)步。未來，我國集成電路制造業(yè)的產(chǎn)能還將穩(wěn)步增長。作為生產(chǎn)集成電路的配套消耗性材料，光掩膜基板用石英玻璃批量生產(chǎn)的意義不言而喻。中國建材總院將繼續(xù)努力，優(yōu)化各類生產(chǎn)工藝和研發(fā)性能更加完善的產(chǎn)品，為我國集成電路制造產(chǎn)業(yè)鏈提供保障。