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半導體製造怎能缺少氣體?
發布時間:2019.04.24   新聞來源:網絡轉載  瀏覽次數:

作者:林德電子市場開發負責人Paul Stockman 博士

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的關鍵推動因素。氣體具有許多特有的性質,包括:易於運輸和存儲、易於實現精準分送,最重要的是容易在分子層麵控製所需的化學反應。這些性質使氣體非常適用於構建更加複雜的電子器件。

電子產品由半導體器件(電容器、二極管和晶體管)構建而成,最新的電腦芯片的生產步驟超過 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複雜的 3D 設計連接在一起。這些產品的製造采用最簡單的積木式工藝,大部分產品會采用氣體材料進行構造和塑形。

本文介紹六個主要的工藝以及所需氣體

電子工藝

電子器件是在初始襯底上製備而成。襯底通常用作為器件的首個電絕緣體。有時候該襯底可能隻是一個臨時性的部件,會在製備完成後被移除。除了常用於半導體芯片和太陽能電池中的矽晶片外,藍寶石、砷化镓和碳化矽等其他材料也可用於製造電源管理芯片和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製。

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汙染,並去除反應腔內的剩餘化學反應物或產物。溫度控製也非常重要。襯底通常置於可加熱或冷卻至所需溫度的水平表麵之上。氦氣或其他氣體可流經該表麵,以幫助進行溫度控製。以下為製造電腦芯片的主要工藝及所用的一些主要氣體。

沉積是製造導體、半導體和絕緣體等電子器件內部材料的生產工藝。通常,兩種氣相反應物流入反應腔內,而襯底則被加熱至有利於進行所需反應的高溫,這樣就可以直接在上一層的表麵生成薄膜產品。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所需的前體。一些氣體(如氨氣和甲烷)從半導體製造開始就一直在使用,另一些氣體的使用是在後來才開始的,還有一些是為用於電子領域而專門開發的。因為電子器件的生產過程中會使用超過60 多種元素,必須開發出全新的氣相材料來支持製造和設計的發展。

光刻是塑造器件形狀的過程,且對於實現微芯片的小型化至關重要。被稱為掃描儀的光刻機就如同一台幻燈片投影儀: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。然後,利用濕化學法衝洗圖樣,並去除化學膠片上曝光或未曝光的部分。

重要的是,常用於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於減少圖像中的缺陷。一種全新的光刻法將采用一種激發態的錫蒸汽來產生光。但由於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) 的形式通過真空係統移除。

刻蝕是用於選擇性地去除材料的工藝,且通常在光刻之後來永久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,然後先與表麵上的一種材料發生反應。反應產物也是氣體,且可通過真空係統排出。

大多數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於選擇目標薄膜。當在等離子中被激發時,這些已激活的氣體對襯底表麵上的目標材料具有較高的反應性。在製造過程中,這些碳氟化合物的碎屑亦可沉積在器件的其他區域,並充當保護層。氧氣在有些時候也可用作為共反應劑。

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,可通過氣體在表麵發生反應,並滲入經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。

用於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製在低於大氣壓的方式防止這些材料泄漏。乙硼烷不具有熱穩定性,會慢慢分解,可以將其存儲在冷藏溫度環境中並與氫氣混合。將鍺添加至矽薄膜中,可以通過稍微破壞矽晶體結構的方式改變其電導率。

退火是用於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於已有材料層發生反應,以在表麵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晶相。

當製造可切割成半導體和太陽能晶片的矽錠時,通常會使用氬氣。這是因為氮氣會在矽的熔化溫度(1414 條件下與矽發生反應。

反應腔清潔是保持反應腔處於工作狀態的一個重要工藝。過多的化學反應物和產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其他設備之上。由於電子器件十分敏感,即使是這些過剩材料產生的細小顆粒也可能會在製造過程中毀壞器件。在工藝步驟之間,鹵化物氣體可通過等離子體激活,與多餘材料發生反應,從而去除多餘材料,例如整個反應腔內的刻蝕步驟。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製造上。

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