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電子氣

電子氣體是特種氣體(指應用于特殊領域,對氣體有特殊要求的純氣)的一個重要分支,半導體工業用的氣體統稱電子氣體。

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體特殊材料氣體;

按規模等級和適用場合分為:電子級、LSI(大規模集成電路)級、VLSI(超大規模集成電路)級、ULSI(特大規模集成電路)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在襯底表面上的過程,在半導體工業中,在仔細選擇的襯底上選用化學氣相淀積的方法,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蝕刻和干法化學蝕刻。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。產檢蝕刻氣體

材質 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

在半導體器件和集成電路制造中,將某些雜質摻入半導體材料內,是材料具有所需要的導電類型和一定的電阻率,以制造電阻、PN結、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。通常將摻雜源與運載氣體(如氬氣和氮氣)在源柜中混合,混合后氣流連續注入擴散爐內并環繞晶片四周,在晶片表面沉積上摻雜劑,進而與硅反應生成摻雜金屬而徒動進入硅。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
磷化合物 磷烷(PH3)、氯化磷(PCl3)、溴化磷(PBr3 氦、氬、氫 具有N形性質
砷化合物 砷烷(AsH3)、三氯化砷(AsCl3 氦、氬、氫
硒化合物 硒化氫(H2Se)
  1. 化學氣相淀積用電子氣體

化學氣相淀積混合氣體(CVD)是利用揮發性化合物,通過氣相化學反應淀積某種單質或化合物的一種方法,即應用氣相化學反應的一種成膜方法。依據成膜種類,使用的化學氣相淀積(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

在半導體器件和集成電路制造中,離子注入工藝所用的氣體統稱為離子注入氣,它是把離子化的雜質(如硼、磷、砷等離子)加速到高能級狀態,然后注入到預定的襯底上。離子注入技術在控制閥值電壓方面應用得最為廣泛。注入的雜質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用

產品名稱 技術指標 主要用途
純氬氣 ≥99.99% 冶煉、切割、焊接、電子工業
工業氧氣 ≥99.92% 鋼材焊接、火焰加工
工業氨氣 ≥98.5% 金屬冶煉、電子工業、石油工業、機械工業
純氮氣 ≥99.99% 化工、冶金、電子工業作置換器、保護器
工業氯氣 ≥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
液態二氧化碳 ≥99.5% 食品工業
焊接用二氧化碳 ≥99.5%
丙烷 ≥99% 鋼材切割

三、電子氣體及環境保護

電子氣體存在:窒息性、腐蝕性、毒性、易燃易爆性等危險。任何設計上、施工中、日常運行里存在的安全隱患都會對工廠、人員和環境帶來巨大的災難。因此,必須高度重視!

主要措施:電子氣體的工廠排風系統根據危險品性質的不同,分門別類;大面積采用安全輸送系統,避免其體的泄露;氣體政策系統(GDS)是全廠生命安全系統(LSS)的重要組成部分,應具備自檢功能;硅烷輸送系統,特別是BSGS系統,應采用隔離式建筑,氣體房和氣柜應采用自動噴淋系統。

在生產過程中的大量廢棄可以采用傳統的濕法技術,進行初步的無害處理,對于剩余的氣體可以采用:燃燒、裂解等工藝進行深度的解毒處理。

四、電子氣體的應用現狀

電子氣體是超大規模集成電路、平面顯示器件、化合物半導體器件、太陽能電池、光纖等電子工業生產不可缺少的原材料,他們廣泛應用于薄膜、刻蝕、摻雜、氣相沉淀、擴散等工藝。電子氣體在IC、LED太陽能中產生重大影響,被稱為半導體的“糧食”、“血液”。

在目前工藝技術較為先進的超大規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 純氮氣 焊接用二氧化碳

 

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