電子氣體是特種氣體(指應用于特殊領域,對氣體有特殊要求的純氣)的一個重要分支,半導體工業(yè)用的氣體統(tǒng)稱電子氣體。
一、電子氣體的分類
電子氣體按純度可分為:純電子氣體、高純電子氣體和半導體特殊材料氣體;
按規(guī)模等級和適用場合分為:電子級、LSI(大規(guī)模集成電路)級、VLSI(超大規(guī)模集成電路)級、ULSI(特大規(guī)模集成電路)級。
二、常用電子氣體
- 外延生長用電子氣體
外延生長是一種單晶材料淀積并生產(chǎn)在襯底表面上的過程,在半導體工業(yè)中,在仔細選擇的襯底上選用化學氣相淀積的方法,生長一層或多層材料所用的氣體叫做延外氣體。常用的硅外延氣體有二氯二氫硅、四氯化硅和硅烷等。主要用于外延硅淀積,多晶硅淀積,氧化硅膜淀積,氮化硅膜淀積,太陽能電池和其他光感器的非晶硅膜積淀等。常見外延電子混合氣體組成如下
組成氣體 | 平衡氣 |
硅烷(SiH4) | 氦、氬、氫、氮 |
氯化硅(SiCl4) | 氦、氬、氫、氮 |
二氯二氫硅(SiH2Cl2) | 氦、氬、氫、氮 |
乙硅烷(Si2H6) | 氦、氬、氫、氮 |
- 蝕刻用電子氣體
蝕刻就是講基片上無光刻膠掩蔽的加工表面(如金屬膜、氧化硅膜)蝕刻掉,而使有光刻膠掩蔽的區(qū)域保存下來,以便在基片表面上獲得所有的成像圖形。蝕刻方式有濕法化學蝕刻和干法化學蝕刻。蝕刻氣體通常多為氟化物氣體(鹵化物類),例如四氟化碳、三氟化氮、三氟甲烷、六氟乙烷、全氟丙烷等。產(chǎn)檢蝕刻氣體
材質(zhì) | 組分氣體 | 平衡氣 |
鋁 | 氯硅烷(SiCl4)、四氯化碳(CCl4) | 氬、氦 |
鉻 | 四氯化碳(CCl4) | 氧、空氣 |
鉬 | 二氟二氯化碳(CCl2F2)、四氟化碳(CF4) | 氧 |
鉑 | 三氟三氯乙烷(C2Cl3F3)、四氟化碳(CF4) | 氧 |
聚硅 | 四氟化碳(CF4)、乙烷(C2H6) | 氧、氯 |
硅 | 四氟化碳(CF4) | 氧 |
鎢 | 四氟化碳(CF4) | 氧 |
- 摻雜用電子氣體
在半導體器件和集成電路制造中,將某些雜質(zhì)摻入半導體材料內(nèi),是材料具有所需要的導電類型和一定的電阻率,以制造電阻、PN結、埋層等。摻雜工藝所用的氣體成為摻雜氣。主要包括砷烷 、磷烷、三氟化磷、五氟化磷、三氟化砷、五氟化砷、三氟化硼和乙硼烷等。通常將摻雜源與運載氣體(如氬氣和氮氣)在源柜中混合,混合后氣流連續(xù)注入擴散爐內(nèi)并環(huán)繞晶片四周,在晶片表面沉積上摻雜劑,進而與硅反應生成摻雜金屬而徒動進入硅。常用摻雜電子氣有:
類型 | 組分氣 | 稀釋氣 | 備注 |
硼化合物 | 乙硼烷(B2H6)、三氯化硼(BCl3)、溴化硼(BBr3) | 氦、氬、氫 | 具有P形性質(zhì) |
磷化合物 | 磷烷(PH3)、氯化磷(PCl3)、溴化磷(PBr3) | 氦、氬、氫 | 具有N形性質(zhì) |
砷化合物 | 砷烷(AsH3)、三氯化砷(AsCl3) | 氦、氬、氫 | |
硒化合物 | 硒化氫(H2Se) | 氮 |
- 化學氣相淀積用電子氣體
化學氣相淀積混合氣體(CVD)是利用揮發(fā)性化合物,通過氣相化學反應淀積某種單質(zhì)或化合物的一種方法,即應用氣相化學反應的一種成膜方法。依據(jù)成膜種類,使用的化學氣相淀積(CVD)氣體也不相同。
膜的種類 | 混合氣組成 | 生成方法 |
半導體膜 |
硅烷(SiH4)+氫(H2); 二氯二氫硅(SiH2Cl2)+氫(H2); 氯硅烷(SiCl4)+氫(H2); 硅烷(SiH4)+甲烷(CH4) |
CVD
CVD CVD 離子注入CVD |
絕緣膜 | 硅烷(SiH4)+氧(O2)
硅烷(SiH4)+氧(O2)+磷烷(PH3) 硅烷(SiH4)+氧(O2)+磷烷(PH3)+乙硼烷(B2H6) 硅烷(SiH4)+氧化亞氮(N2O)+磷烷(PH3) |
CVD
CVD CVD 離子注入CVD |
導電膜 | 六氟化鎢(WF6)+氫(H2)
六氯化鉬(MoCl6)+氫(H2) |
CVD
CVD |
- 離子注入用電子氣體
在半導體器件和集成電路制造中,離子注入工藝所用的氣體統(tǒng)稱為離子注入氣,它是把離子化的雜質(zhì)(如硼、磷、砷等離子)加速到高能級狀態(tài),然后注入到預定的襯底上。離子注入技術在控制閥值電壓方面應用得最為廣泛。注入的雜質(zhì)量可以通過測量離子束電流而求得。離子注入氣體通常指磷系、砷系和硼系氣體。部分離子注入用氣體:
氣體種類 | 組分氣含量 | 稀釋氣體 | 壓力(Kpa) |
磷烷(PH3) | 5% | 氫氣(H2) | 27.65 |
15% | 氫氣(H2) | 27.65 | |
砷烷(AsH3) | 5% | 氫氣(H2) | 27.65 |
15% | 氫氣(H2) | 27.65 |
一些電子氣體的純度及應用
產(chǎn)品名稱 | 技術指標 | 主要用途 |
純氬氣 | ≥99.99% | 冶煉、切割、焊接、電子工業(yè) |
工業(yè)氧氣 | ≥99.92% | 鋼材焊接、火焰加工 |
工業(yè)氨氣 | ≥98.5% | 金屬冶煉、電子工業(yè)、石油工業(yè)、機械工業(yè) |
純氮氣 | ≥99.99% | 化工、冶金、電子工業(yè)作置換器、保護器 |
工業(yè)氯氣 | ≥99% | 石油、油脂加氫、人造寶石、石英玻璃制造 |
溶解乙炔 | ≥98% | 切割加工 |
液態(tài)二氧化碳 | ≥99.5% | 食品工業(yè) |
焊接用二氧化碳 | ≥99.5% | |
丙烷 | ≥99% | 鋼材切割 |
三、電子氣體及環(huán)境保護
電子氣體存在:窒息性、腐蝕性、毒性、易燃易爆性等危險。任何設計上、施工中、日常運行里存在的安全隱患都會對工廠、人員和環(huán)境帶來巨大的災難。因此,必須高度重視!
主要措施:電子氣體的工廠排風系統(tǒng)根據(jù)危險品性質(zhì)的不同,分門別類;大面積采用安全輸送系統(tǒng),避免其體的泄露;氣體政策系統(tǒng)(GDS)是全廠生命安全系統(tǒng)(LSS)的重要組成部分,應具備自檢功能;硅烷輸送系統(tǒng),特別是BSGS系統(tǒng),應采用隔離式建筑,氣體房和氣柜應采用自動噴淋系統(tǒng)。
在生產(chǎn)過程中的大量廢棄可以采用傳統(tǒng)的濕法技術,進行初步的無害處理,對于剩余的氣體可以采用:燃燒、裂解等工藝進行深度的解毒處理。
四、電子氣體的應用現(xiàn)狀
電子氣體是超大規(guī)模集成電路、平面顯示器件、化合物半導體器件、太陽能電池、光纖等電子工業(yè)生產(chǎn)不可缺少的原材料,他們廣泛應用于薄膜、刻蝕、摻雜、氣相沉淀、擴散等工藝。電子氣體在IC、LED太陽能中產(chǎn)生重大影響,被稱為半導體的“糧食”、“血液”。
在目前工藝技術較為先進的超大規(guī)模集成電路工廠的芯片制造過程中,全部工藝步驟超過450道,其中大約需要使用50中不同種類的電子氣體。
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NH3 | SiH4 | SF6 | Cl2 |
5%SiH4+N2 | 1%PH3+H2 | NF3 | N2O |
200ppm SiH4+H2 | CF4 | HCl | CO2 |
CHF3 | CH2F2 | C3F6 | C2HF5 |
BCl3 | 純氬氣 | 純氮氣 | 焊接用二氧化碳 |