特大口径石英玻璃管项目可行性研究报告

年产200吨信息产业用Φ400mm特大口径石英玻璃管项目可行性研究报告

一、概述

高端石英玻璃制品是信息产业的重要支撑材料，近几年我国石英玻璃工业发展强劲，美国GE、德国贺利氏、日本大和、信越等国际大型企业纷纷进入。目前国内大部分石英玻璃企业处于价值链低端，高端产品不得不高价进口。江苏省鼓励研发石英玻璃高端产品，通过科技项目攻克一批具有全局性、带动性的关键核心技术。本公司于2 008年承担了省科技支撑计划—“大规模集成电路用Ф320mm高纯石英型材及关键制备工艺技术研究”。

集成电路制造用石英氧化、扩散管是一种不可替代的消耗性关键材料，据统计，2010年国内Φ310-400mm石英管用量16000支，随着晶圆片及集成电路芯片生产量的增加，对石英扩散管的需求量也大幅上升。由于目前国内集成电路芯片制造用φ400mm以上的大口径石英扩散管产品和技术仍属空白，12英寸晶圆所需Φ400mm以上的石英扩散管完全依赖进口，使我国的集成电路制造产业处于受制于人的尴尬处境。晶圆大直径是集成电路线宽变细、元件数量增多、管芯面积增大和降低成本的需要，12英寸以上晶圆片已成为集成电路制造业的发展趋势。据国际半导体设备与材料协会统计，2010年全球半导体工艺用石英玻璃材料产值达30-40亿美元。

集成电路芯片必须通过扩散、氧化工艺才能完成。其中扩散、氧化炉是晶圆制造必需设备，在所有半导体专用设备中，扩散炉是集成电路生产线前工序的重要工艺设备之一，它的主要用途是对半导体进行掺杂，即在高温条件下将掺杂材料扩散入硅片，从而改变和控制半导体内杂质的类型、浓度和分布，以便建立起不同的电特性区域。在整个制程中300多道工序中要经历30多次扩散工序。石英扩散（氧化）管是一种不可替代的消耗性关键材料，对晶圆质量有着重要影响。

石英扩散管生产在国际上属高新技术，国际上德、日、美等国家对其生产技术保持垄断，对我国只卖产品而不转让技术和成套装备，控制着全球市场。国内集成电路芯片制造用Ф400mm以上的大口径石英扩散管产品和生产技术仍属空白，超大规模集成电路芯片制造用大口径石英扩散管必须依赖进口。

本公司承担的“大规模集成电路用Ф320mm高纯石英型材及关键制备工艺技术研究”被省科技支撑计划，连续获得政府专项资金支持。本项目在国内首次采用连熔法生产出Φ320mm大规格厚壁石英玻璃管，突破了连熔法生产大规格厚壁石英玻璃管和利用厚壁管扩管的技术关键，实现了12英寸晶圆扩散、氧化所需Φ400mm以上石英管的国产化，打破国外石英玻璃生产加工技术垄断，并取得自主知识产权。本项目生产技术与产品质量与国外相比，具有产量高、成本低等特点，产品质量达到国外同类产品的先进水平。

本项目实施后，将对大口径石英管材实行产业化生产，年产量为200吨，目前市场销售价为60万元/吨，可实现产值12000万元，实现税利近1600万元，同时产品可逐步替代进口，每年约节约外汇近百万美元。现有生产线已经可以稳定生产，预计年产量已经可以达到130吨，完成了项目预期目标。从经济效益上分析，由于产品的规模生产提高了产量和技术档次，如果经过进一步加大投入，通过对生产流程增加关键设备及部分控制系统，可实现石英棒规模化生产。因此，本项目的实施具有明显的经济与社会效益。

本项目是在生产普通石英玻璃管基础上，通过改进连熔炉关键设备、引进国外先进设备的基础上提出的，工艺路线可行，技术指标先

进，目前已完成批量生产，可投入规模化目标。本项目产品具有耐高温、耐腐蚀、不变形、羟基含量低的特点，主要用于光纤产业的关键材料。

二、技术可行性分析

本项目关键技术在于采用连熔法直接拉制高纯厚壁石英玻璃管，通过离心扩管技术生产集成电路芯片制造用大规格石英玻璃扩散管。具体关键技术内容及创新点如下：

A．原料提纯去杂技术

集成电路芯片制造用大规格石英玻璃扩散管中杂质的含量对硅片处理、集成电路芯片制造都有极大的影响。通常情况下K、Na、Li 等碱金属元素会使高温中的石英玻璃管产生失透、高温变形，影响石英玻璃管的热稳定性，Cr、Cu、Fe、Ni、Mn、Zn等微量金属对硅单晶的电学性质有着致命影响，严重降低器件的性能。

本项目在研究和综合国内外石英原料提纯技术与工艺的基础上，采用碱处理、强磁选、多组浮选等先进工艺，形成了独特的高纯石英原料提纯技术，使Si02≥99．998％，金属杂质含量≤20ppm，高温变形率≤0.1%，OH≤2ppm。

B、大口径石英管连熔拉制工艺技术及连熔炉、钨钼坩埚等成套装备的设计研究

本项目在连熔炉坩锅高度与成形系统、熔化量与熔化时间之间，建立了相互关联的数学模型，重新设计钨坩埚的尺寸以及成形器的直

径、高度及调节高度，从而增加成形部位玻璃熔液的压力，加强石英玻璃液在成形前的脱气能力，减少及消除大规格厚壁石英玻璃管产品的气线气泡，使产品满足了集成电路芯片制造工艺对石英玻璃材料产品质量的要求。同时，对拉管机、切割设备、在线测控设备也进行了研发，并取得了一定的成果。

C、实现扩管工艺技术突破，将产品直径提高到400mm以上

中国建材研究院总院石英玻璃研究院在实施国家重点科技攻关项目“大规格石英玻璃管成型新工艺”及“Φ200mm石英扩散管”过程中，通过对离心扩管机床结构、卡盘结构和尺寸、冷却系统、成型器、燃烧系统及控制系统的研究与设计，以及对温度、旋转速度等扩管工艺参数的研究与确定，产品扩管的规格尺寸由Φ320mm提高到了Φ400mm以上，在扩管工艺技术方面取得了重大突破，并成功应用于集成电路芯片制造工艺。

创新点：①创新了四组化学浮选法，使原料纯度≥99.998%，达到或优于美国尤尼明公司石英砂质量标准。②创新设计了大炉体和5 60mm钨坩埚，可直接生产Ф320mm石英管。关键技术：①原料提纯增加四组化学浮选后，使产能规模的原料高等级高纯度，保障质量的稳定性。②石英炉改进的新装备钨坩埚，要解决的关键技术是能否科学配套合理，并符合研制Ф320mm的技术要求。

重点技术突破：“半导体产业用直径260毫米透明石英玻璃管材研制与应用”科技成果鉴定意见认为：“该项目立足于国产原料，在国内率先研制成功规格较大的260mm高品质透明石英管材，经检测和使用表明，产品主要性能居国内领先水平，并达到国际同类产品先进水