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電子氣

電子氣體是特種氣體(指應(yīng)用于特殊領(lǐng)域,對氣體有特殊要求的純氣)的一個(gè)重要分支,半導(dǎo)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(dǎo)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

  1. 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(dǎo)體工業(yè)中,在仔細(xì)選擇的襯底上選用化學(xué)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
  1. 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(xué)蝕刻和干法化學(xué)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
氯硅烷(SiCl4)、四氯化碳(CCl4 氬、氦
四氯化碳(CCl4 氧、空氣
二氟二氯化碳(CCl2F2)、四氟化碳(CF4
三氟三氯乙烷(C2Cl3F3)、四氟化碳(CF4
聚硅 四氟化碳(CF4)、乙烷(C2H6 氧、氯
四氟化碳(CF4
四氟化碳(CF4
  1. 摻雜用電子氣體

在半導(dǎo)體器件和集成電路制造中,將某些雜質(zhì)摻入半導(dǎo)體材料內(nèi),是材料具有所需要的導(dǎo)電類型和一定的電阻率,以制造電阻、PN結(jié)、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(yùn)載氣體(如氬氣和氮?dú)?/a>)在源柜中混合,混合后氣流連續(xù)注入擴(kuò)散爐內(nèi)并環(huán)繞晶片四周,在晶片表面沉積上摻雜劑,進(jìn)而與硅反應(yīng)生成摻雜金屬而徒動進(jìn)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)
  1. 化學(xué)氣相淀積用電子氣體

化學(xué)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(xué)反應(yīng)淀積某種單質(zhì)或化合物的一種方法,即應(yīng)用氣相化學(xué)反應(yīng)的一種成膜方法。依據(jù)成膜種類,使用的化學(xué)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(dǎo)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(dǎo)電膜 六氟化鎢(WF6)+氫(H2

六氯化鉬(MoCl6)+氫(H2

CVD

CVD

  1. 離子注入用電子氣體

在半導(dǎo)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(yù)定的襯底上。離子注入技術(shù)在控制閥值電壓方面應(yīng)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(yīng)用

產(chǎn)品名稱 技術(shù)指標(biāo) 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(jī)械工業(yè)
純氮?dú)?/td> ≥99.99% 化工、冶金、電子工業(yè)作置換器、保護(hù)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(hù)

電子氣體存在:窒息性、腐蝕性、毒性、易燃易爆性等危險(xiǎn)。任何設(shè)計(jì)上、施工中、日常運(yùn)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(zāi)難。因此,必須高度重視!

主要措施:電子氣體的工廠排風(fēng)系統(tǒng)根據(jù)危險(xiǎn)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(yīng)具備自檢功能;硅烷輸送系統(tǒng),特別是BSGS系統(tǒng),應(yīng)采用隔離式建筑,氣體房和氣柜應(yīng)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(shù),進(jìn)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(jìn)行深度的解毒處理。

四、電子氣體的應(yīng)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(dǎo)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(yīng)用于薄膜、刻蝕、摻雜、氣相沉淀、擴(kuò)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(dǎo)體的“糧食”、“血液”。

在目前工藝技術(shù)較為先進(jìn)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?dú)?/td> 焊接用二氧化碳