Die Halbleiterfertigung ist auf eine Vielzahl von Gasen angewiesen, die in drei Haupttypen eingeteilt werden können: Massengase, Spezialgaseund Ätzgase. Diese Gase müssen von extrem hoher Reinheit sein, um eine Kontamination zu verhindern, die den heiklen und komplexen Herstellungsprozess ruinieren kann.

Massengase

Stickstoff (N₂):

Rolle: N₂ dient mehreren Zwecken, einschließlich der Spülung von Prozesskammern und der Bereitstellung einer inerten Atmosphäre während verschiedener Phasen der Halbleiterherstellung.
Zusätzliche Hinweise: Beim Transport und der Lagerung von Siliziumwafern wird häufig Stickstoff eingesetzt, um die Oxidation zu minimieren. Seine inerte Beschaffenheit stellt sicher, dass es nicht mit anderen Materialien reagiert, was es ideal für die Aufrechterhaltung sauberer Verarbeitungsumgebungen macht.

Argon (Ar):
Rolle: Zusätzlich zu seiner Beteiligung an Plasmaprozessen ist Argon maßgeblich an Prozessen beteiligt, bei denen kontrollierte Gaszusammensetzungen von entscheidender Bedeutung sind.
Zusätzliche Hinweise: Da es mit den meisten Materialien nicht reagiert, wird Argon auch zum Sputtern verwendet, was bei der Abscheidung von Metall- oder dielektrischen Filmen dort hilft, wo Oberflächen ohne Kontamination gehalten werden müssen.

Helium (He):
Rolle: Aufgrund seiner thermischen Eigenschaften ist Helium für die Kühlung und Aufrechterhaltung der Temperaturkonstanz bei reaktiven Prozessen von unschätzbarem Wert.
Zusätzliche Hinweise: Aufgrund seiner nicht reaktiven Natur und der Fähigkeit, den optischen Pfad frei von Verunreinigungen zu halten, wird es häufig in Hochenergielasersystemen für die Lithographie verwendet.

Wasserstoff (H₂):
Rolle: Über seine Anwendung beim Tempern hinaus hilft Wasserstoff auch bei der Reinigung der Oberfläche von Wafern und kann an chemischen Reaktionen während der Epitaxie beteiligt sein.
Zusätzliche Hinweise: Die Verwendung von Wasserstoff bei der Abscheidung dünner Filme ermöglicht eine bessere Kontrolle der Ladungsträgerkonzentration in Halbleitermaterialien und verändert deren elektrische Eigenschaften erheblich.

Spezialgase und Dotierstoffe

Silan (SiH₄):
Rolle: Silan ist nicht nur ein Vorläufer für die Siliziumabscheidung, sondern kann auch zu einem Passivierungsfilm polymerisiert werden, der die elektronischen Eigenschaften verbessert.
Zusätzliche Hinweise: Seine Reaktivität erfordert aus Sicherheitsgründen eine sorgfältige Handhabung, insbesondere beim Mischen mit Luft oder Sauerstoff.

Ammoniak (NH₃):
Rolle: Neben der Herstellung von Nitridfilmen spielt Ammoniak eine wichtige Rolle bei der Herstellung von Passivierungsschichten, die die Zuverlässigkeit von Halbleiterbauelementen erhöhen.
Zusätzliche Hinweise: Es kann an Prozessen beteiligt sein, die den Einbau von Stickstoff in Silizium erfordern, wodurch die elektronischen Eigenschaften verbessert werden.

Phosphin (PH₃), Arsin (AsH₃) und Diboran (B₂H₆):
Rolle: Diese Gase sind nicht nur für die Dotierung unerlässlich, sondern auch entscheidend für die Erzielung der gewünschten elektrischen Eigenschaften in fortschrittlichen Halbleiterbauelementen.
Zusätzliche Hinweise: Ihre Toxizität erfordert strenge Sicherheitsprotokolle und Überwachungssysteme in Fertigungsumgebungen, um Gefahren zu mindern.

Ätz- und Reinigungsgase

Fluorkohlenwasserstoffe (CF₄, SF₆):
Rolle: Diese Gase werden in Trockenätzverfahren eingesetzt, die im Vergleich zu Nassätzverfahren eine hohe Präzision bieten.
Zusätzliche Hinweise: CF₄ und SF₆ sind aufgrund ihrer Fähigkeit, Materialien auf Siliziumbasis effizient zu ätzen, von Bedeutung, was eine feine Musterauflösung ermöglicht, die in der modernen Mikroelektronik von entscheidender Bedeutung ist.

Chlor (Cl₂) und Fluorwasserstoff (HF):
Rolle: Chlor bietet aggressive Ätzfähigkeiten, insbesondere für Metalle, während HF für die Entfernung von Siliziumdioxid von entscheidender Bedeutung ist.
Zusätzliche Hinweise: Die Kombination dieser Gase ermöglicht eine effektive Schichtentfernung während verschiedener Herstellungsphasen und sorgt so für saubere Oberflächen für nachfolgende Verarbeitungsschritte.

Stickstofftrifluorid (NF₃):
Rolle: NF₃ ist für die Umgebungsreinigung in CVD-Systemen von entscheidender Bedeutung und reagiert mit Verunreinigungen, um eine optimale Leistung aufrechtzuerhalten.
Zusätzliche Hinweise: Trotz Bedenken hinsichtlich seines Treibhausgaspotenzials ist NF₃ aufgrund seiner Effizienz bei der Reinigung in vielen Fabriken die bevorzugte Wahl, auch wenn seine Verwendung sorgfältige Überlegungen zum Umweltschutz erfordert.

Sauerstoff (O₂):
Rolle: Die durch Sauerstoff erleichterten Oxidationsprozesse können wichtige Isolierschichten in Halbleiterstrukturen erzeugen.
Zusätzliche Hinweise: Die Rolle von Sauerstoff bei der Förderung der Oxidation von Silizium zur Bildung von SiO₂-Schichten ist für die Isolierung und den Schutz von Schaltkreiskomponenten von entscheidender Bedeutung.

Aufkommende Gase in der Halbleiterfertigung

Zusätzlich zu den oben aufgeführten herkömmlichen Gasen gewinnen andere Gase im Halbleiterherstellungsprozess an Bedeutung, darunter:

Kohlendioxid (CO₂): Wird bei einigen Reinigungs- und Ätzanwendungen verwendet, insbesondere bei Anwendungen mit fortschrittlichen Materialien.

Siliziumdioxid (SiO₂): Obwohl es sich unter Standardbedingungen nicht um ein Gas handelt, werden in bestimmten Abscheidungsprozessen verdampfte Formen von Siliziumdioxid verwendet.

Umweltaspekte

Die Halbleiterindustrie konzentriert sich zunehmend auf die Reduzierung der Umweltauswirkungen, die mit der Verwendung verschiedener Gase verbunden sind, insbesondere solcher, die starke Treibhausgase sind. Dies hat zur Entwicklung fortschrittlicher Gasmanagementsysteme und zur Erforschung alternativer Gase geführt, die ähnliche Vorteile bei geringerem ökologischen Fußabdruck bieten können.

Abschluss

Die bei der Halbleiterfertigung verwendeten Gase spielen eine entscheidende Rolle bei der Gewährleistung der Präzision und Effizienz der Herstellungsprozesse. Mit fortschreitender Technologie strebt die Halbleiterindustrie kontinuierlich nach Verbesserungen bei der Reinheit und dem Management von Gasen und berücksichtigt gleichzeitig Sicherheits- und Umweltbedenken im Zusammenhang mit ihrer Verwendung.