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半導體制造怎能缺少氣體?

發布時間:2019/3/20 22:27:23

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:易于運輸和存儲、易于實現精準分送,最重要的是容易在分子層面控制所需的化學反應。這些性質使氣體非常適用于構建更加復雜的電子器件。  

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復雜的 3D 設計連接在一起。這些產品的制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制備而成。襯底通常用作為器件的首個電絕緣體。有時候該襯底可能只是一個臨時性的部件,會在制備完成后被移除。除了常用于半導體芯片和太陽能電池中的硅晶片外,藍寶石、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制。

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污染,并去除反應腔內的剩余化學反應物或產物。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該表面,以幫助進行溫度控制。以下為制造電腦芯片的主要工藝及所用的一些主要氣體。

沉積是制造導體、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于進行所需反應的高溫,這樣就可以直接在上一層的表面生成薄膜產品。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)從半導體制造開始就一直在使用,另一些氣體的使用是在后來才開始的,還有一些是為用于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制造和設計的發展。

光刻是塑造器件形狀的過程,且對于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臺幻燈片投影儀: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。然后,利用濕化學法沖洗圖樣,并去除化學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,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于減少圖像中的缺陷。一種全新的光刻法將采用一種激發態的錫蒸汽來產生光。但由于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的形式通過真空系統移除。

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