中国粉体网讯 近年来，半导体技术的集成化发展迅速，制造半导体器件的光刻法工艺得到提升，对半导体器件的材料精度要求也越来越高。光掩膜技术作为半导体技术中的重要组成部分，其制作材料包含玻璃基板、镀铬膜层、光刻胶、光学膜等，其中玻璃基板为主要的原材料。光掩膜基板主要应用于半导体芯片、平板显示领域，两大下游市场规模近年来快速增长。
光掩膜玻璃基板根据玻璃组分可分为石英玻璃掩膜基板、硼硅玻璃掩膜基板和苏打玻璃（钠钙玻璃）掩膜基板等，其中石英玻璃基板光学透过率高，热膨胀率低、光谱特性优良，具有较高硬度和较长的使用寿命，适用于高精度光掩膜基板的制造，在光掩膜基板的材料选择中更具备优势，且市场需求逐年递增。随着对光掩膜石英玻璃基板的材料性质和加工精度要求越来越高，其制备的工艺要求也越来越严苛，石英玻璃基板的主要工艺包括石英锭熔制、热加工和冷加工等。
石英锭的熔制工艺
合成石英锭是光掩膜基板的核心材料。制备石英锭的工艺主要分为两类：熔炼石英玻璃和合成石英玻璃。熔炼石英玻璃的制造工艺主要是电熔工艺和气炼工艺，合成石英玻璃的制造工艺可分为化学气相沉积（CVD）、等离子化学气相沉积（PCVD）、间接合成法等。
电熔工艺
电熔法是通过电加热将坩埚内的粉末状石英原料进行熔化，随后经过快速冷却的玻璃化过程形成石英玻璃。电加热的方式包括电阻加热、电磁感应加热等。在熔化过程中石英晶体的结构历经从β-石英到α-石英，再到α-方石英（同时伴随有非晶相的产生）的转变，直至加热到约1723℃时开始形成石英熔体。石英粉料的熔化过程通常在高度真空（0.1~10Pa）的环境中进行，以去除该过程中释放产生的气体和降低石英玻璃中的气泡含量。
采用电熔法制备的石英玻璃，其品质主要取决于原料的纯度。石英原料中的金属杂质通常很难去除，因此电熔石英玻璃中的金属杂质一般含量较高且难以控制。通过烘干可以有效去除石英粉料中的水分，因此采用电熔法可以制备出羟基含量较低的石英玻璃。
气炼法
是利用氢氧焰将天然石英熔化，然后在石英玻璃靶面上逐渐堆积而成。目前，气炼法技术中的氢氧焰燃烧器多由石英玻璃管制成，有单组和多组之分，其结构的合理性直接关系到生产效率和产品品质。该工艺设备简单，综合能耗低，制备的熔融石英玻璃气泡少，但是产品尺寸误差较大，易形成不光滑的波纹状表面。另外，采用氢氧焰制备时，氢气分子或者是氢气与氧气燃烧时生成的水会分别与二氧化硅反应生成羟基，导致产品中羟基含量偏高。
化学气相沉积法（CVD）
化学气相沉积工艺是指以SiCl4等含硅化合物为原材料，在氢氧焰中高温水解或氧化生成SiO2微粒，沉积在基体表面形成高纯合成石英玻璃。CVD合成石英玻璃的特性为金属杂质含量低、紫外透过率高、光学均匀性高、耐辐照性能优越等，但由于原料高温水解产生众多水分，羟基含量一般在１‰以上。
等离子化学气相沉积工艺（PCVD）
PVCD工艺是采用高纯SiCl4为原料，以高频等离子体火焰代替氢氧焰作为热源，在高温环境中发生反应。PCVD工艺合成的石英玻璃具有金属杂质和羟基含量低、全光谱透过性能优越、光学均匀性高等特性，但工艺复杂、设备要求高、成本高，目前国际上只有美、日、德等少数国家技术成熟，国内相关报道较少。
间接合成法
间接合成法是将石英玻璃的制造划分成两个工序，包括SiO2粉末体的沉积和烧结，因此也称为“两步法”工艺。粉末体沉积的温度环境比CVD工艺低很多形成的是低密度的SiO2粉末体。之后将粉末体进行烧结，其中可包含掺杂、脱水、脱气等工序，最后实现玻璃化。
相比于直接法，间接合成法的优势在于沉积速度快、成本低、易掺杂和脱羟，适合深紫外透过、高抗激光损伤石英玻璃的制造，可应用于光刻和激光技术领域。但是间接合成法制造高端光学石英玻璃的技术主要被国外垄断。
综合来看，电熔和气炼工艺都是在高温下熔制高纯石英砂形成石英玻璃，由于石英砂纯度和熔制工艺的影响，制备的石英玻璃纯度低，紫外透过率差，存在较多气泡、杂点等缺陷，严重影响其光学性能，无法满足高端光电技术领域的应用需求。相比而言，合成石英玻璃在性能上有很大不同，具有高远紫外透过率，高光学均匀性，优越的耐辐射性能等，在光掩膜石英玻璃基板中应用更加广泛。
石英玻璃基板的热加工工艺
石英锭在高温熔制过程中，会产生气泡、颗粒、条纹、热应力、羟基等结构缺陷，会影响石英玻璃的使用性能。光掩膜石英玻璃基板的热加工包括高温均化、精密退火等工艺，主要目的是减少内部气泡、颗粒和消除应力等结构缺陷，同时使得石英玻璃基板成型。
高温均化
高温均化的过程是不均体的溶解（如未熔融的石英颗粒和气泡）和分子离子的扩散（如金属杂质离子和羟基）。高温均化的工艺参数主要有温度、压力、均化时间等，石英玻璃在合适的温度和压力条件下，均化一定的时间能有效改善材料的结构均匀性与性能稳定性。
精密退火
石英玻璃在熔制和热加工的冷却过程中，内外温差会产生热应力，应力的存在和不均匀分布会大大降低石英玻璃的光学均匀性、机械强度和结构稳定性。精密退火工艺可消除或减小热应力至允许值，改善由温差变化造成的密度和折射率不均匀现象，进而提高石英玻璃各项性能。
石英玻璃基板的冷加工工艺
传统的热加工工艺无法满足光掩膜石英玻璃基板愈加严苛的表面加工精度要求，需要通过冷加工的方式对表面进行处理。石英玻璃基板涉及的冷加工工艺主要有切割、开方、倒角、精密磨抛等，其中要求最高、难度最大的就是精密磨抛，决定了加工后的产品表面质量和面形精度。
精密磨抛主要分为研磨和抛光，两者的工作原理相似，都是使用磨粒对材料进行磨除。其中研磨的磨粒粒径更大，主要是为了去除加工余量，并对工件表面进行修整，研磨效率影响着抛光的表面质量和时间，研磨效果直接关系着石英玻璃基板的表面平整度和粗糙度。抛光的目的是提高石英片的表面质量，如粗糙度、平整度等，同时去除研磨过程中产生的表面残余应力，抛光的质量直接决定着石英玻璃基板的加工精度和表面质量，是冷加工工艺中最关键的一步。目前，石英玻璃基板的抛光工艺主要采用化学机械抛光（CMP）的方法，即采用化学和机械结合的方式。
光掩膜石英玻璃基板发展现状
2010年以来，我国加大了对光掩膜玻璃基板研发和产业化进程。首先，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、完善了集成开发光掩膜板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产业光掩膜板用玻璃基板的高精度要求。
菲利华为国内合成石英玻璃制造领域技术领先企业，其高端光学合成石英材料已在多个国家重点研究项目中使用。平显用光掩膜基板分世代，2018年8月，公司研发出G8代光掩膜基板。2021年，公司在国内独家研发生产G8.5代光掩膜基板。2022年，公司10.5代TFT-LCD光掩膜基板已研发成功，具备量产能力。
结语
高纯度石英制品是半导体材料生产过程中的关键性辅助耗材，其中光掩膜基板主要的基础材料是高纯石英玻璃片。半导体集成电路（IC）、显示面板和PCB等产业的发展，必将带动我国光掩膜板行业等迅速发展，作为光掩膜板上游的光掩膜玻璃基板产业必将受到强有力的拉动，尤其是光掩膜石英玻璃基板的发展将进一步加快。
参考来源：
陈娅丽等.光掩膜石英玻璃基板的制造工艺概述
刘志海.我国光掩模玻璃基板的发展现状及趋势
谭琦.熔融石英玻璃制备工艺研究进展
马千里.高纯石英玻璃制备过程的研究和工艺优化
东亚前海证券.菲利华:下游需求多重共振，石英高潜力龙头未来可期
（中国粉体网编辑整理/初末）
注：图片非商业用途，存在侵权告知删除！
