氣體在半導(dǎo)體行業(yè)的應(yīng)用

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

電子產(chǎn)品由半導(dǎo)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(guò)1000步，擁有100多億個(gè)晶體管，所有晶體管通過(guò)納米級(jí)電線依照錯(cuò)綜復(fù)雜的3D設(shè)計(jì)連接在一起。這些產(chǎn)品的制造采用最簡(jiǎn)單的積木式工藝，大部分產(chǎn)品會(huì)采用氣體材料進(jìn)行構(gòu)造和塑形。

下面介紹6個(gè)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(gè)電絕緣體。有時(shí)候該襯底可能只是一個(gè)臨時(shí)性的部件，會(huì)在制備完成后被移除。除了常用于半導(dǎo)體芯片和太陽(yáng)能電池中的硅晶片外，藍(lán)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(yīng)器或反應(yīng)腔內(nèi)進(jìn)行，在此類反應(yīng)器或反應(yīng)腔中可以對(duì)工藝化學(xué)進(jìn)行精確地控制。

通常，反應(yīng)腔會(huì)保持較低的壓力水平，以消除氣相化學(xué)反應(yīng)造成的大氣造成污染，并去除反應(yīng)腔內(nèi)的剩余化學(xué)反應(yīng)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(jìn)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?dú)怏w。

2、沉積

沉積是制造導(dǎo)體、半導(dǎo)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(yīng)物流入反應(yīng)腔內(nèi)，而襯底則被加熱至有利于進(jìn)行所需反應(yīng)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(yīng)可通過(guò)使用氬氣或氦氣等離子被進(jìn)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(dǎo)體制造開始就一直在使用，另一些氣體的使用是在后來(lái)才開始的，還有一些是為用于電子領(lǐng)域而專門開發(fā)的。因?yàn)殡娮悠骷纳a(chǎn)過(guò)程中會(huì)使用超過(guò)60多種元素，必須開發(fā)出全新的氣相材料來(lái)支持制造和設(shè)計(jì)的發(fā)展。

3、光刻

光刻是塑造器件形狀的過(guò)程，且對(duì)于實(shí)現(xiàn)微芯片的小型化至關(guān)重要。被稱為掃描儀的光刻機(jī)就如同一臺(tái)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(xué)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(xué)法沖洗圖樣，并去除化學(xué)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(chǔ)，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(yīng)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(lái)產(chǎn)生光。但由于錫會(huì)沉積在成本高昂的光學(xué)元件上，所以會(huì)使用大量的氫氣與錫反應(yīng)，以將錫以氫化錫 (SnH4) 的形式通過(guò)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(lái)固定光刻工藝中形成的圖樣和形狀。刻蝕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(yīng)。反應(yīng)產(chǎn)物也是氣體，且可通過(guò)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(biāo)薄膜。當(dāng)在等離子中被激發(fā)時(shí)，這些已激活的氣體對(duì)襯底表面上的目標(biāo)材料具有較高的反應(yīng)性。在制造過(guò)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(dāng)保護(hù)層。氧氣在有些時(shí)候也可用作為共反應(yīng)劑。

5、摻雜

摻雜是幫助改變半導(dǎo)材料導(dǎo)電率的工藝。通過(guò)將這些材料的原子加入到之前沉積的半導(dǎo)體材料中，電路工程師就可以確定半導(dǎo)體層傳導(dǎo)電子的條件。要加入摻雜原子，可通過(guò)氣體在表面發(fā)生反應(yīng)，并滲入經(jīng)過(guò)加熱處理的襯底中，或通過(guò)等離子體激活方法。在等離子激活過(guò)程中，會(huì)使用電場(chǎng)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(chǔ)和使用，從而可通過(guò)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(huì)慢慢分解，可以將其存儲(chǔ)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(guò)稍微破壞硅晶體結(jié)構(gòu)的方式改變其電導(dǎo)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(yīng)，以在表面上形成新的氧化或氫化層。在其他應(yīng)用中，會(huì)對(duì)具有更多薄膜層的襯底進(jìn)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(dāng)制造可切割成半導(dǎo)體和太陽(yáng)能晶片的硅錠時(shí)，通常會(huì)使用氬氣。這是因?yàn)榈獨(dú)鈺?huì)在硅的熔化溫度 (1414℃) 條件下與硅發(fā)生反應(yīng)。
反應(yīng)腔清潔是保持反應(yīng)腔處于工作狀態(tài)的一個(gè)重要工藝。過(guò)多的化學(xué)反應(yīng)物和產(chǎn)物不僅會(huì)沉積在襯底上，而且還會(huì)沉積在反應(yīng)腔腔壁以及反應(yīng)腔內(nèi)其他設(shè)備之上。由于電子器件十分敏感，即使是這些過(guò)剩材料產(chǎn)生的細(xì)小顆粒也可能會(huì)在制造過(guò)程中毀壞器件。在工藝步驟之間，鹵化物氣體可通過(guò)等離子體激活，與多余材料發(fā)生反應(yīng)，從而去除多余材料，例如整個(gè)反應(yīng)腔內(nèi)的刻蝕步驟。這些反應(yīng)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(shí)現(xiàn)基本的工藝流程以及更加復(fù)雜的設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造。

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