半導(dǎo)體制造中超高純度氣體科普

超高純度氣體在整個半導(dǎo)體供應(yīng)鏈中必不可少。事實上，對于一個典型的晶圓廠來說，高純度氣體是僅次于硅本身的最大材料支出。在全球芯片短缺之后，該行業(yè)的擴(kuò)張速度比以往任何時候都快——對高純度氣體的需求也在增加。

半導(dǎo)體制造中最常用的大宗氣體是氮氣、氦氣、氫氣和氬氣。

氮氣占我們大氣層的 78%，含量極其豐富。它也恰好是化學(xué)惰性的和不導(dǎo)電的。因此，氮氣作為一種具有成本效益的惰性氣體已進(jìn)入多個行業(yè)領(lǐng)域。

半導(dǎo)體行業(yè)是氮氣的主要消費者。一個現(xiàn)代化的半導(dǎo)體制造廠預(yù)計每小時要使用多達(dá) 50,000 立方米的氮氣。在半導(dǎo)體制造中，氮氣起著通用惰性和吹掃氣體的作用，保護(hù)敏感的硅晶片免受空氣中的活性氧和水分的影響。

氦氣是一種惰性氣體。這意味著，與氮氣一樣，氦氣具有化學(xué)惰性——但它還具有高導(dǎo)熱性的額外優(yōu)勢。這在半導(dǎo)體制造中特別有用，使其能夠有效地將熱量從高能過程中傳導(dǎo)出去，并有助于保護(hù)它們免受熱損傷和不需要的化學(xué)反應(yīng)。

氫在整個電子制造過程中被廣泛使用，半導(dǎo)體生產(chǎn)也不例外。特別是，氫氣用于：

退火：硅晶片通常被加熱到高溫并緩慢冷卻，以修復(fù)（退火）晶體結(jié)構(gòu)。氫氣用于將熱量均勻地傳遞到晶圓，并協(xié)助重建晶體結(jié)構(gòu)。

外延：超高純氫在硅、鍺等半導(dǎo)體材料的外延沉積中用作還原劑。

沉積：氫可以摻入硅薄膜中，使其原子結(jié)構(gòu)更加無序，有助于提高電阻率。

等離子清洗：氫等離子在去除 UV 光刻中使用的光源中的錫污染方面特別有效。

氬氣

氬氣是另一種惰性氣體，因此它與氮氣和氦氣一樣表現(xiàn)出低反應(yīng)性。然而，氬的低電離能使其在半導(dǎo)體應(yīng)用中得到使用。由于氬氣相對容易電離，因此它通常用作半導(dǎo)體制造中蝕刻和沉積反應(yīng)的主要等離子氣體。除此之外，氬還用于紫外光刻的準(zhǔn)分子激光器中。

為什么純度很重要

通常，半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步是通過尺寸縮放實現(xiàn)的，新一代半導(dǎo)體技術(shù)的特征是更小的特征尺寸。這會產(chǎn)生多種好處：在給定體積中裝入更多晶體管、改善電流、降低功耗和加快開關(guān)速度。

然而，隨著臨界尺寸的下降，半導(dǎo)體器件變得越來越精密。在單個原子的位置很重要的世界中，容錯閾值非常嚴(yán)格。因此，現(xiàn)代半導(dǎo)體工藝要求工藝氣體具有盡可能高的純度。