半導(dǎo)體級石英砂(也稱高純石英砂)是制造半導(dǎo)體硅片、石英坩堝、石英玻璃等關(guān)鍵材料的重要原料,其純度要求極高,通常需達(dá)到 99.999%(5N)以上,某些雜質(zhì)元素(如 Al、Fe、Ti、Na、K、Li、B、P 等)含量需控制在 ppb(十億分之一)級別。其生產(chǎn)工藝復(fù)雜,主要包括以下幾個關(guān)鍵步驟:
一、原料選擇
優(yōu)質(zhì)天然石英礦:首選高純度、低雜質(zhì)的脈石英或水晶礦,如美國Spruce Pine礦(全球最優(yōu)質(zhì)來源之一)、中國江蘇東海、湖北蘄春等地的部分礦床。
雜質(zhì)控制:原料中金屬雜質(zhì)、晶格雜質(zhì)(如Al3?替代Si??)和包裹體含量必須極低。
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二、物理提純(預(yù)處理)
1. 破碎與篩分
將原礦破碎至合適粒度(通常為0.1–1 mm),去除大顆粒雜質(zhì)。
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2. 磁選
去除鐵磁性礦物(如赤鐵礦、磁鐵礦)。
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3. 浮選
利用表面化學(xué)性質(zhì)差異,去除長石、云母等硅酸鹽雜質(zhì)。
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4. 擦洗與重選
去除表面附著物及密度不同的雜質(zhì)礦物。
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三、化學(xué)提純(核心工藝)
1. 酸洗(Acid Leaching)
使用混合酸(如 HCl、HF、HNO?、H?SO?)在加熱條件下溶解金屬氧化物和表面雜質(zhì)。
HF 可有效去除硅酸鹽包裹體,但需嚴(yán)格控制用量以避免過度腐蝕石英晶格。
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2. 高溫氯化(Chlorination / Halogen Purification)
在 800–1200°C 下通入 Cl?、HCl 或其他鹵素氣體,使金屬雜質(zhì)轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性氯化物排出。
對 Al、Fe、Ti、Ca、Mg 等雜質(zhì)特別有效。
3. 堿洗(可選)
用于去除部分鋁硅酸鹽,但可能引入 Na/K 雜質(zhì),需謹(jǐn)慎使用。
四、高溫熔融/煅燒(熱處理)
在 >1500°C 的潔凈環(huán)境中煅燒,促使晶格缺陷修復(fù)、雜質(zhì)遷移或揮發(fā)。
有時采用 真空或惰性氣氛(如 Ar) 以防止再污染。
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五、超凈清洗與包裝
使用超純水(UPW, 18.2 MΩ·cm)多次沖洗。
在 Class 10 或更高潔凈室中干燥、篩分、包裝,防止環(huán)境粉塵污染。
六、檢測與認(rèn)證
采用 ICP-MS(電感耦合等離子體質(zhì)譜)、GDMS(輝光放電質(zhì)譜)等手段檢測痕量元素。
滿足 SEMI(國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會)標(biāo)準(zhǔn),如 SEMI C12、C38 等。
技術(shù)難點(diǎn)與壁壘
晶格雜質(zhì)難以去除:如 Al3? 替代 Si?? 形成 ? 結(jié)構(gòu),需依賴原料本征純度。
包裹體控制:微米級礦物包裹體需通過精細(xì)選礦和高溫爆裂處理。
全流程潔凈控制:設(shè)備、管道、容器必須使用高純材料(如 PFA、石英、高純不銹鋼)。
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