บทบาทของผงซิลิกาผลึกในอุตสาหการผลิตแก้วและเซมิคอนดักเตอร์

ผงซิลิกาผลึกในฐานะวัตถุดิบความบริสุทธิ์สูงสำหรับแก้วพิเศษ

เหตุใดผง α-ควอตซ์ ถูกเลือกใช้ในการผลิตควอตซ์หลอมและอุปกรณ์ออปติกที่ยอมแสง UV ผ่าน

วัสดุที่นิยมใช้ในการผลิตควอตซ์หลอมและอุปกรณ์ถ่ายส่งแสงยูวีคือผงควอตซ์แบบอัลฟา (α-quartz) เนื่องจากโครงสร้างผลึกที่เกือบจะสมบูรณ์แบบตามตำรา ทนความร้อนได้ดีเยี่ยม และมีสารปนเปื้อนในระดับต่ำมาก วัสดุนี้ยังคงอยู่ในสถานะของแข็งได้แม้อุณหภูมิจะสูงเกิน 1600 องศาเซลเซียส ทำให้สามารถผลิตควอตซ์หลอมที่แทบไม่ขยายตัวเมื่อได้รับความร้อน สิ่งสำคัญอีกอย่างคือ โดยทั่วไปมีปริมาณสารปนเปื้อนโลหะรวมต่ำกว่า 50 ส่วนในล้านส่วน (ppm) โดยเฉพาะอย่างยิ่งการปนเปื้อนของเหล็กซึ่งเป็นปัญหาใหญ่ เพราะแม้เพียงปริมาณเล็กน้อยประมาณ 5 ppm ก็สามารถดูดซับแสงยูวีได้ ซึ่งส่งผลให้ประสิทธิภาพการถ่ายส่งแสงลดลงระหว่าง 10 ถึง 15 เปอร์เซ็นต์ ตามรายงานล่าสุดจากสมาคมวัสดุออพติก นอกจากนี้ การจัดเรียงของอะตอมในรูปแบบ α-quartz ยังทำให้วัสดุไม่กลายเป็นขุ่นหรือเป็นแก้วเมื่อผ่านกระบวนการให้ความร้อนเข้มข้น ช่วยรักษาความใสและความสม่ำเสมอของอุปกรณ์ออพติกไว้ได้ ในทางกลับกัน ซิลิกาแบบไม่มีรูปผลึก (amorphous silica) มักจะเกิดการตกผลึกเล็กๆ ภายในเมื่อเผชิญกับความเครียดจากความร้อน ทำให้เกิดการกระเจิงของแสงในทิศทางที่ไม่ต้องการ

ผลกระทบของขนาดอนุภาคและการกระจายตัวของโลหะแทรที่มีต่อความสม่ำเสมอในการหลอม

พฤติกรรมการหลอมที่สม่ำเสมอในการผลิตแก้วพิเศษขึ้นอยู่กับคุณลักษณะทางกายภาพและเคมีของผงซิลิกาผลึกที่ถูกควบคุมอย่างเข้มงวด ข้อกำหนดที่เหมาะสมได้แก่

• การกระจายตัวของขนาดอนุภาคที่แคบ (D90 < 40 ไมครอน) เพื่อให้เกิดการดูดซับความร้อนอย่างสม่ำเสมอ
• รูปทรงกลม , ลดช่องว่างระหว่างกระบวนการเผา
• ปริมาณโลหะอัลคาไลต่ำกว่าหนึ่งส่วนในล้าน , ป้องกันการเปลี่ยนแปลงของความหนืดในการหลอม

เมื่อขนาดอนุภาคแตกต่างกันมากกว่า 15% ระหว่างชุด, นี้สร้างรูปแบบการทําความร้อนไม่เท่าเทียมกันที่นําไปสู่การกระจายสีที่เห็นได้ชัดและก๊าซติดอยู่ในผลิตภัณฑ์สุดท้าย ถ้าปริมาณอลูมิเนียมเกิน 20 ส่วนต่อล้าน ส่วนละลายจะหนาขึ้น 12% ซึ่งส่งผลต่อการแปรรูป คัลเซียมที่ทําให้เกิดปนเปื้อน อาจจะแย่กว่า เพราะมันส่งเสริมการเติบโตของคริสตัลคริสตัล ซึ่งไม่มีใครต้องการ เพราะมันทําให้โครงสร้างของวัสดุอ่อนแอ ผู้ผลิตที่จริงจังส่วนใหญ่พึ่งพาการทดสอบการสับสับ laser พร้อมกับอุปกรณ์ ICP-MS เพื่อตรวจสอบทุกรายละเอียดเหล่านี้ การควบคุมคุณภาพเหล่านี้เป็นสิ่งจําเป็นในการรักษาผลลัพธ์ที่คงที่ ที่จําเป็นในการผลิตชิ้นส่วนความแม่นยํา สําหรับการผลิตครึ่งขนส่ง และส่วนประกอบทางออปติกส์ที่แพง

ขนาดของ ผง ซิลิ กา สี ใส ใน การ ผลิต ผง ครึ่ง สาย: จาก สาร แหล่ง ผลิต จาก การ อ๊อกซิเดชั่น ณ ภาพร้อน ไป ถึง หน้ากาก ผิว ที่ ทนทาน

การแปลงปูนซิลิก้าแบบคริสตัลลินแบบควบคุมเป็นชั้นไดเอเล็คทริก SiO's คุณภาพสูง

วัสดุหลักที่ใช้ในกระบวนการออกซิเดชันด้วยความร้อนในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์คือผงซิลิกาผลึก เมื่อสัมผัสกับสภาพแวดล้อมที่มีออกซิเจนเข้มข้นที่อุณหภูมิเกิน 900 องศาเซลเซียส ผงนี้จะเปลี่ยนเป็นชั้นไดอิเล็กตริก SiO2 ที่มีความสม่ำเสมอมากบนเวเฟอร์ซิลิคอน เพื่อให้กระบวนการนี้ทำงานได้อย่างเหมาะสม ผงต้องมีขนาดอนุภาคที่สม่ำเสมอและมีปริมาณโลหะปนเปื้อนต่ำมาก (ต่ำกว่าหนึ่งส่วนในล้าน) แม้แต่การปนเปื้อนเพียงเล็กน้อยก็สามารถก่อให้เกิดปัญหาทางไฟฟ้าในชั้นออกไซด์ของเกต ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อความน่าเชื่อถือของทรานซิสเตอร์ในระยะยาว โรงงานผลิตสมัยใหม่ใช้ระบบตรวจสอบก๊าซแบบเรียลไทม์เพื่อรักษาระดับสภาพออกซิเดชันให้เหมาะสมอย่างแม่นยำ ระบบทั้งนี้ช่วยให้สามารถควบคุมความสม่ำเสมอของความหนาภายในขอบเขตบวกหรือลบ 2 เปอร์เซ็นต์ทั่วทั้งเวเฟอร์ขนาดใหญ่ 300 มม. การควบคุมที่แม่นยำเช่นนี้เองที่ทำให้ชิปลอจิกและโมดูลความจำในปัจจุบันทำงานได้อย่างยอดเยี่ยม และรับประกันให้ผู้ผลิตได้อัตราผลผลิตที่ดีจากกระบวนการผลิต

บทบาทในสเลอร์รี่ CMP และซับสเตรตโฟทอมาสก์สำหรับลิเทอร์กรีโหนดขั้นสูง

การขัดผิวด้วยสารเคมีเชิงกล หรือ CMP (Chemical Mechanical Planarization) เป็นกระบวนการที่ใช้สารแขวนลอยที่ทำจากอนุภาคซิลิกาผลึกขนาดเล็กเพื่อสร้างพื้นผิวที่เรียบสนิทในระดับอะตอม ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งในการผลิตอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ขั้นสูง เช่น ชิปหน่วยความจำ 3D NAND และโครงสร้าง FinFET ที่มีขนาดเล็กกว่า 5 นาโนเมตร วัสดุนี้ใช้งานได้ดีเพราะมีความแข็งพอที่จะขัดออกได้ แต่มีรูปทรงกลมที่ช่วยป้องกันความเสียหายต่อชั้นผิวที่บอบบางที่กำลังขัดอยู่ ในขณะเดียวกัน ผงซิลิกาบริสุทธิ์สูงชนิดเดียวกันนี้ยังถูกนำไปใช้ในงานสำคัญอีกอย่างหนึ่ง เมื่อหลอมรวมกันแล้ว จะกลายเป็นวัสดุพื้นฐานสำหรับโฟโตมาสก์ในการผลิตชิป มาสก์เหล่านี้จำเป็นต้องยอมให้แสงอัลตราไวโอเลตที่ความยาวคลื่น 193 นาโนเมตรผ่านได้เกือบทั้งหมด ในขณะที่ยังคงรักษารูปทรงไว้ได้แม้หลังจากวงจรการให้ความร้อนและการทำให้เย็นซ้ำๆ การผสมผสานระหว่างความใสของแสงและความเสถียรนี้หมายความว่าผู้ผลิตสามารถรักษารูปแบบที่แม่นยำอย่างยิ่งในระหว่างกระบวนการพิมพ์หินด้วยแสงอัลตราไวโอเลต ซึ่งในแต่ละรอบการฉายแสงอาจเสี่ยงต่อการบิดเบี้ยวของลักษณะเฉพาะระดับจุลภาคที่พวกเขากำลังพยายามสร้างขึ้น

กรอบการคัดเลือกวัสดุ: เมื่อผงซิลิกาผลึกมีประสิทธิ์ดีกว่าวัสดุทางเลือกที่เป็นอโมร์ฟัส

การเลือกระดับซิลิกาผลึกหรือซิลิกาไม่เรียงผลึกขึ้นขึ้นจริงมาจากการพิจารณาว่าคุณสมบัติชนิดใดมีความสำคัญมากที่สุดสำหรับการใช้งานเฉพาะเจาะในแต่ละกรณี ตัวอย่างเช่น ผงซิลิกาผลึก โดยเฉพาะผลึกแอลฟาควอตซ์ ที่ให้ความคาดการณ์เกี่ยวกับโครงสร้างได้ดีกว่าเมื่ออุณหภูมิสูง นั่นคือเหตุผลที่มันมีความสำคัญอย่างยิ่งในกระบวนการต่างๆ เช่น การออกซิเดชันด้วยความร้อน หรือการผลิตแก้วพิเศษ ที่การมีชั้นวัสดุที่สม่ำเสมอและเฟสที่มั่นคงทำให้มีผลต่อประสิทธิภาพการทำงานของอุปกรณ์อย่างมาก โครงสร้างตาข่ายที่เป็นระเบียบหมายว่าเราสามารถพึ่งพาพฤติกรรมการหลอมที่สม่ำเสมอ และความต้านทานต่อการกลับเป็นแก้วจากสถานะของเหลว ในทางกลับ ซิลิกาไม่เรียงผลึกสามารถทนต่อแรงกระแทกจากความร้อนดีกว่า แต่ไม่ให้การเปลี่ยนเฟสที่คาดการณ์ได้เท่าผลึก หรือควบคุมมลภาวะอย่างแน่นหนา เมื่อข้อกำหนดต้องการโลหะเจือปนต่ำกว่า 5 ส่วนในล้าน หรือขนาดอนุภาคเล็กกว่า 10 ไมครอน ตัวเลือกซิลิกาผลึกมักทำงานดีกว่าเพราะสร้างข้อบกพร่องน้อยกว่าในระหว่างปฏิกิริยา สรุปท้ายที่สุด การเลือกวัสดุหนึ่งแทนวัสดุอื่นคือการชั่งน้ำหนักระหว่างความสำคัญของความแม่นยำในการประมวลงานกับปริมาณความเค้นที่วัสดุต้องทนทาน

ความปลอดภัย การจัดการ และข้อความปฏิบัติตามระเบียบข้อบัยสำหรับผงซิลิกาผลึกละเอียดในสภาพอุตสาหกรรม

ค่าความเข้มข้นที่ได้รับอนุญาตโดย OSHA การควบคุมทางวิศวกรรม และการตรวจสอบฝุ่นแบบเรียลไทม์ในสถาน facility ที่มีการผลิตสูง

ผงซิลิกาผลึกมีความเสี่ยงร้ายต่อสุขภาพปอดอย่างร้าย ซึ่งเป็นเหตุให้หน่วยควบคุมต่างให้ความสนใจอย่างใกล้ดู สำนักการความปลอดภัยและสุขภาพในการทำงานกำหนดขีดจำกัดที่ 50 ไมโครกรัมต่อลูกบาศก์เมตรสำหรับอนุภาคที่สามารถหายดเข้าไปที่มีซิลิกาผลึก หมายว่าโรงงานต้องมีมาตรการความปลอดภัยที่มั่นด้ โรงงานส่วนใหญามักเริ่มด้วยแนวทางวิศวกรรม เช่น ระบบดูดอากาศที่มีกำลงสูงเพื่อดูดฝุนออกไปจากคนงาน หรือรักษาความชื้นของวัสดุในขั้นตอนการผลิตเพื่อลดอนุภาคที่ลอยในอากาศ โรงงานผลิตชิ้นเซมิคอนดักเตอร์ที่ฝุนสะสมเร็วพึ่งพุ่อุปกรณ์ตรวจสอบอย่างต่อเนื่องที่ติดตามจำนวนอนุภาคแบบเรียลไทม์ ระบบนี้จะแจ้งเตือนเมื่อระดับใกล้ถึงขีดเตือนที่ 25 ไมโครกรัมต่อลูกบาศก์เมตร บางสถานประกอบก็วิเคราะห์การไหลของอากาศภายในพื้นที่ของตนเอง เพื่อปรับการป้องกันตามการเปลี่ยนแปลงของการดำเนินงานตามเวลา ซึ่งช่วยลดจำนวนผู้ป่วยซิลิโคซิส ในขณะที่ยังคงรักษาการผลิตที่ราบรื่นโดยไม่เกิดการหยุดงานอย่างต่อเนื่อง