氣體在半導體行業(yè)的應用

自二十世紀中葉商用晶體管和集成電路問世以來，氣體就一直是電子行業(yè)的關(guān)鍵推動因素。氣體具有許多特有的性質(zhì)，包括：易于運輸和存儲、易于實現(xiàn)精準分送，最重要的是容易在分子層面控制所需的化學反應。這些性質(zhì)使氣體非常適用于構(gòu)建更加復雜的電子器件。 

電子產(chǎn)品由半導體器件（電容器、二極管和晶體管）構(gòu)建而成，最新的電腦芯片的生產(chǎn)步驟超過1000步，擁有100多億個晶體管，所有晶體管通過納米級電線依照錯綜復雜的3D設計連接在一起。這些產(chǎn)品的制造采用最簡單的積木式工藝，大部分產(chǎn)品會采用氣體材料進行構(gòu)造和塑形。

下面介紹6個主要的工藝以及所需氣體

1、電子工藝

電子器件是在初始襯底上制備而成。襯底通常用作為器件的首個電絕緣體。有時候該襯底可能只是一個臨時性的部件，會在制備完成后被移除。除了常用于半導體芯片和太陽能電池中的硅晶片外，藍寶石、砷化鎵和碳化硅等其他材料也可用于制造電源管理芯片和LED。幾乎所有涉及氣體的電子處理都是在金屬壁反應器或反應腔內(nèi)進行，在此類反應器或反應腔中可以對工藝化學進行精確地控制。

通常，反應腔會保持較低的壓力水平，以消除氣相化學反應造成的大氣造成污染，并去除反應腔內(nèi)的剩余化學反應物或產(chǎn)物。溫度控制也非常重要。襯底通常置于可加熱或冷卻至所需溫度的水平表面之上。氦氣或其他氣體可流經(jīng)該表面，以幫助進行溫度控制。以下為制造電腦芯片的主要工藝及所用的一些主要氣體。

2、沉積

沉積是制造導體、半導體和絕緣體等電子器件內(nèi)部材料的生產(chǎn)工藝。通常，兩種氣相反應物流入反應腔內(nèi)，而襯底則被加熱至有利于進行所需反應的高溫，這樣就可以直接在上一層的表面生成薄膜產(chǎn)品。這種反應可通過使用氬氣或氦氣等離子被進一步激活。

沉積步驟中使用了許多不同的氣體，這些氣體被用作薄膜生產(chǎn)所需的前體。一些氣體（如氨氣和甲烷）從半導體制造開始就一直在使用，另一些氣體的使用是在后來才開始的，還有一些是為用于電子領域而專門開發(fā)的。因為電子器件的生產(chǎn)過程中會使用超過60多種元素，必須開發(fā)出全新的氣相材料來支持制造和設計的發(fā)展。

3、光刻

光刻是塑造器件形狀的過程，且對于實現(xiàn)微芯片的小型化至關(guān)重要。被稱為掃描儀的光刻機就如同一臺幻燈片投影儀：它從光源獲取光，以便將刻蝕在玻璃件上母模圖像傳輸至覆有光敏化學膠片的襯底上。該圖像就是形成微芯片的微小電路的圖樣。然后，利用濕化學法沖洗圖樣，并去除化學膠片上曝光或未曝光的部分。

重要的是，常用于圖像光刻的光源是以氣相激光為基礎，采用少量的氟氣、氯氣、氯化氫、氬氣以及混合大量氖氣為平衡氣的氙氣。光刻是氖氣應用最多的工藝。二氧化碳也作為加工輔助劑用于減少圖像中的缺陷。一種全新的光刻法將采用一種激發(fā)態(tài)的錫蒸汽來產(chǎn)生光。但由于錫會沉積在成本高昂的光學元件上，所以會使用大量的氫氣與錫反應，以將錫以氫化錫 (SnH4) 的形式通過真空系統(tǒng)移除。

4、刻蝕

刻蝕是用于選擇性地去除材料的工藝，且通常在光刻之后來固定光刻工藝中形成的圖樣和形狀?？涛g氣體在襯底上方的氬等離子體中被激活，然后先與表面上的一種材料發(fā)生反應。反應產(chǎn)物也是氣體，且可通過真空系統(tǒng)排出。

大多數(shù)刻蝕氣體都是碳基氣體，且包含氟或其他鹵原子。碳氟化合物的成分有助于選擇目標薄膜。當在等離子中被激發(fā)時，這些已激活的氣體對襯底表面上的目標材料具有較高的反應性。在制造過程中，這些碳氟化合物的碎屑亦可沉積在器件的其他區(qū)域，并充當保護層。氧氣在有些時候也可用作為共反應劑。

5、摻雜

摻雜是幫助改變半導材料導電率的工藝。通過將這些材料的原子加入到之前沉積的半導體材料中，電路工程師就可以確定半導體層傳導電子的條件。要加入摻雜原子，可通過氣體在表面發(fā)生反應，并滲入經(jīng)過加熱處理的襯底中，或通過等離子體激活方法。在等離子激活過程中，會使用電場加快滲雜襯底速度。

用于摻雜的氣體包括砷烷(AsH3)、磷烷(PH3)，以及三氟化硼(BF3)和乙硼烷(B2H2)等含硼氣體。特別是砷烷和磷烷有劇毒，通常在安全分裝容器中存儲和使用，從而可通過將有效壓力限制在低于大氣壓的方式防止這些材料泄漏。乙硼烷不具有熱穩(wěn)定性，會慢慢分解，可以將其存儲在冷藏溫度環(huán)境中并與氫氣混合。將鍺添加至硅薄膜中，可以通過稍微破壞硅晶體結(jié)構(gòu)的方式改變其電導率。

6、退火

退火是用于改變已有薄膜組分的另一種工藝。氧氣或氫氣通常在高壓和高溫條件下用于已有材料層發(fā)生反應，以在表面上形成新的氧化或氫化層。在其他應用中，會對具有更多薄膜層的襯底進行加熱和冷卻處理，這樣最頂層薄膜就能夠形成結(jié)晶相。

當制造可切割成半導體和太陽能晶片的硅錠時，通常會使用氬氣。這是因為氮氣會在硅的熔化溫度 (1414℃) 條件下與硅發(fā)生反應。
反應腔清潔是保持反應腔處于工作狀態(tài)的一個重要工藝。過多的化學反應物和產(chǎn)物不僅會沉積在襯底上，而且還會沉積在反應腔腔壁以及反應腔內(nèi)其他設備之上。由于電子器件十分敏感，即使是這些過剩材料產(chǎn)生的細小顆粒也可能會在制造過程中毀壞器件。在工藝步驟之間，鹵化物氣體可通過等離子體激活，與多余材料發(fā)生反應，從而去除多余材料，例如整個反應腔內(nèi)的刻蝕步驟。這些反應腔清潔氣體中最重要的是三氟化氮 (NF3)，它所有用途幾乎都在電子制造上。

自從人類開始生產(chǎn)電子器件，氣體就被用于實現(xiàn)基本的工藝流程以及更加復雜的設計和產(chǎn)品制造。

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