Verdict結論
石英零件與陶瓷零件的差異,可歸結為「透明的非晶質玻璃,還是燒結的多晶體」這項材料結構差異。石英熱膨脹極小、容易高純度化,適合擴散爐的爐管、晶舟與觀察窗。陶瓷(氧化鋁、AlN、SiC)熱傳導率高、機械強度與耐電漿性優異,用於靜電吸盤、加熱器、聚焦環等需要傳熱並承受電漿的部位。
主要差異
| 比較項目 | 石英零件(石英玻璃) | 陶瓷零件(氧化鋁、AlN、SiC) |
|---|---|---|
| 材料結構 | 非晶質(amorphous)玻璃,透明 | 燒結的多晶體,不透明 |
| 耐熱溫度參考 | 1,200℃左右(長時間使用會逐漸失透) | 氧化鋁可達1,500℃等級,SiC可耐更高溫 |
| 熱膨脹、熱衝擊 | 熱膨脹係數極小,非常耐急熱急冷 | 熱膨脹大於石英,但視材質而定仍屬良好 |
| 熱傳導率 | 低(具隔熱性) | 高(AlN 150~180W/m·K,SiC也很高) |
| 耐電漿性 | 在氟系電漿中會逐漸被蝕刻 | 搭配Y₂O₃鍍膜容易確保高耐受性 |
| 純度、污染 | 合成石英可達ppb等級的低金屬污染 | 有高純度等級,燒結助劑的管理是關鍵 |
| 代表用途 | 擴散爐爐管、晶舟、觀察窗、石英環、清洗槽 | 靜電吸盤、陶瓷加熱器、晶座、聚焦環 |
| 主要廠商 | 信越石英、東曹(Tosoh)、HOYA | 日本礙子(NGK)、京瓷(Kyocera)、TOTO、CoorsTek |
選用的基本原則:「阻隔」熱還是「傳導」熱
石英具有熱傳導率低、幾乎不熱膨脹的特性。這對爐管這類需要內部維持高溫、又不能因劇烈溫度變化而破裂的構件來說相當理想。另一方面,需要均勻加熱晶圓的部位必須快速傳熱,因此會選用AlN這類高導熱陶瓷。靜電吸盤之所以用陶瓷而非石英製作,是因為它不只負責吸附,還要負責散熱。
消耗方式不同:失透與侵蝕
石英在高溫下長時間使用,表面會失透(方矽石化)而變得白濁,剝落的碎片會成為微粒來源。陶瓷的主要劣化模式則是電漿造成的侵蝕(erosion),粒子從晶界脫落而產生微粒。兩者都屬於需更換、再生的耗材,但觀察劣化徵兆的方式與壽命判斷基準各不相同。
第三種選擇:耐電漿鍍膜
近年來,比起基材是石英還是陶瓷,表面施加何種塗層更能左右零件壽命。氧化釔(Y₂O₃)系或YOF系的耐電漿鍍膜,可將氟系電漿環境中的侵蝕速率降低數個數量級,也能抑制微粒產生。基材依強度、熱特性與加工性選擇,耐電漿性則以表面處理來實現,這樣的設計已成為主流。
常見問題
石英與陶瓷哪一種比較耐用?
取決於使用位置。在高溫但氣氛溫和的擴散爐中,石英可長期使用;但在暴露於氟系電漿的部位,石英容易被蝕刻,施加耐電漿鍍膜的陶瓷較有利。由於劣化模式不同,無法單純比較優劣。
為何靜電吸盤使用AlN(氮化鋁)?
理由有2點:其熱傳導率高達150~180W/m·K,能有效排除晶圓熱量;以及透過控制體積電阻率,可獲得Johnsen-Rahbek型的強大吸附力。加熱、吸附與散熱可由1個構件同時負責,使設備結構更為簡潔。
石英零件失透(白濁)後繼續使用沒問題嗎?
有問題。失透的表面會因結晶化而產生體積變化、容易剝落,剝落的碎片會成為微粒來源並造成晶圓缺陷。白濁被視為壽命指標,是判斷定期更換或以研磨、蝕刻進行再生的基準。