电子特气系统——半导体制造怎能缺少气体

自二十世纪中叶商用晶体管和集成电路问世以来，气体就一直是电子行业的关键推动因素。气体具有许多特有的性质，包括：易于运输和存储、易于实现精准分送，最重要的是容易在分子层面控制所需的化学反应。这些性质使气体非常适用于构建更加复杂的电子器件。  

电子产品由半导体器件（电容器、二极管和晶体管）构建而成，最新的电脑芯片的生产步骤超过 1000 步，拥有 100 多亿个晶体管，所有晶体管通过纳米级电线依照错综复杂的 3D 设计连接在一起。这些产品的制造采用最简单的积木式工艺，大部分产品会采用气体材料进行构造和塑形。

电子工艺

电子器件是在初始衬底上制备而成。衬底通常用作为器件的首个电绝缘体。有时候该衬底可能只是一个临时性的部件，会在制备完成后被移除。除了常用于半导体芯片和太阳能电池中的硅晶片外，蓝宝石、砷化镓和碳化硅等其他材料也可用于制造电源管理芯片和 LED。几乎所有涉及气体的电子处理都是在金属壁反应器或反应腔内进行，在此类反应器或反应腔中可以对工艺化学进行精确地控制。

通常，反应腔会保持较低的压力水平，以消除气相化学反应造成的大气造成污染，并去除反应腔内的剩余化学反应物或产物。温度控制也非常重要。衬底通常置于可加热或冷却至所需温度的水平表面之上。氦气或其他气体可流经该表面，以帮助进行温度控制。以下为制造电脑芯片的主要工艺及所用的一些主要气体。

沉积是制造导体、半导体和绝缘体等电子器件内部材料的生产工艺。通常，两种气相反应物流入反应腔内，而衬底则被加热至有利于进行所需反应的高温，这样就可以直接在上一层的表面生成薄膜产品。这种反应可通过使用氩气或氦气等离子被进一步激活。

沉积步骤中使用了许多不同的气体，这些气体被用作薄膜生产所需的前体。一些气体（如氨气和甲烷）从半导体制造开始就一直在使用，另一些气体的使用是在后来才开始的，还有一些是为用于电子领域而专门开发的。因为电子器件的生产过程中会使用超过 60 多种元素，必须开发出全新的气相材料来支持制造和设计的发展。

光刻是塑造器件形状的过程，且对于实现微芯片的小型化至关重要。被称为扫描仪的光刻机就如同一台幻灯片投影仪：它从光源获取光，以便将刻蚀在玻璃件上母模图像传输至覆有光敏化学胶片的衬底上。该图像就是形成微芯片的微小电路的图样。然后，利用湿化学法冲洗图样，并去除化学胶片上曝光或未曝光的部分。

重要的是，常用于图像光刻的光源是以气相激光为基础，采用少量的氟气、氯气、氯化氢、氩气以及混合大量氖气为平衡气的氙气。光刻是氖气应用最多的工艺。二氧化碳也作为加工辅助剂用于减少图像中的缺陷。一种全新的光刻法将采用一种激发态的锡蒸汽来产生光。但由于锡会沉积在成本高昂的光学元件上，所以会使用大量的氢气与锡反应，以将锡以氢化锡 (SnH4) 的形式通过真空系统移除。

刻蚀是用于选择性地去除材料的工艺，且通常在光刻之后来永久固定光刻工艺中形成的图样和形状。刻蚀气体在衬底上方的氩等离子体中被激活，然后先与表面上的一种材料发生反应。反应产物也是气体，且可通过真空系统排出。

大多数刻蚀气体都是碳基气体，且包含氟或其他卤原子。碳氟化合物的成分有助于选择目标薄膜。当在等离子中被激发时，这些已激活的气体对衬底表面上的目标材料具有较高的反应性。在制造过程中，这些碳氟化合物的碎屑亦可沉积在器件的其他区域，并充当保护层。氧气在有些时候也可用作为共反应剂。

掺杂是帮助改变半导材料导电率的工艺。通过将这些材料的原子加入到之前沉积的半导体材料中，电路工程师就可以确定半导体层传导电子的条件。要加入掺杂原子，可通过气体在表面发生反应，并渗入经过加热处理的衬底中，或通过等离子体激活方法。在等离子激活过程中，会使用电场加快渗杂衬底速度。

用于掺杂的气体包括砷烷 (AsH3)、磷烷 (PH3)，以及三氟化硼 (BF3) 和乙硼烷 (B2H2) 等含硼气体。特别是砷烷和磷烷有剧毒，通常在安全分装容器中存储和使用，从而可通过将有效压力限制在低于大气压的方式防止这些材料泄漏。乙硼烷不具有热稳定性，会慢慢分解，可以将其存储在冷藏温度环境中并与氢气混合。将锗添加至硅薄膜中，可以通过稍微破坏硅晶体结构的方式改变其电导率。

退火是用于改变已有薄膜组分的另一种工艺。氧气或氢气通常在高压和高温条件下用于已有材料层发生反应，以在表面上形成新的氧化或氢化层。在其他应用中，会对具有更多薄膜层的衬底进行加热和冷却处理，这样最顶层薄膜就能够形成结晶相。

当制造可切割成半导体和太阳能晶片的硅锭时，通常会使用氩气。这是因为氮气会在硅的熔化温度 (1414 ℃) 条件下与硅发生反应。

反应腔清洁是保持反应腔处于工作状态的一个重要工艺。过多的化学反应物和产物不仅会沉积在衬底上，而且还会沉积在反应腔腔壁以及反应腔内其他设备之上。由于电子器件十分敏感，即使是这些过剩材料产生的细小颗粒也可能会在制造过程中毁坏器件。在工艺步骤之间，卤化物气体可通过等离子体激活，与多余材料发生反应，从而去除多余材料，例如整个反应腔内的刻蚀步骤。 这些反应腔清洁气体中最重要的是三氟化氮 (NF3)，它所有用途几乎都在电子制造上。

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