Puolijohteiden valmistus perustuu laajaan valikoimaan kaasuja, jotka voidaan luokitella kolmeen päätyyppiin: bulkkikaasut, erikoiskaasutja etsauskaasut. Näiden kaasujen on oltava erittäin puhtaita, jotta estetään kontaminaatio, joka voi pilata herkän ja monimutkaisen valmistusprosessin.

Bulkkikaasut

Typpi (N2):

Rooli: N₂ palvelee useita tarkoituksia, mukaan lukien prosessikammioiden puhdistaminen ja inertin ilmakehän luominen puolijohteiden valmistuksen eri vaiheissa.
Lisähuomautuksia: Typpeä käytetään usein piikiekkojen kuljetuksessa ja varastoinnissa hapettumisen minimoimiseksi. Sen inertti luonne varmistaa, että se ei reagoi muiden materiaalien kanssa, mikä tekee siitä ihanteellisen puhtaan käsittelyympäristön ylläpitämiseen.

Argon (Ar):
Rooli: Sen lisäksi, että se osallistuu plasmaprosesseihin, argonilla on tärkeä rooli prosesseissa, joissa kontrolloidut kaasukoostumukset ovat tärkeitä.
Lisähuomautuksia: Koska se ei reagoi useimpien materiaalien kanssa, argonia käytetään myös sputteroinnissa, mikä auttaa metalli- tai dielektristen kalvojen kerrostumisessa, missä pinnat on säilytettävä ilman kontaminaatiota.

Helium (He):
Rooli: Heliumin lämpöominaisuudet tekevät siitä korvaamattoman jäähdytyksen ja lämpötilan tasaisuuden ylläpitämisen reaktiivisten prosessien aikana.
Lisähuomautuksia: Sitä käytetään usein litografian korkean energian laserjärjestelmissä sen ei-reaktiivisen luonteen ja kyvyn vuoksi pitää optinen reitti puhtaana kontaminaatiosta.

Vety (H₂):
Rooli: Sen lisäksi, että sitä käytetään hehkutuksessa, vety auttaa myös kiekkojen pinnan puhdistamisessa ja voi osallistua kemiallisiin reaktioihin epitaksian aikana.
Lisähuomautuksia: Vedyn käyttö ohuiden kalvojen kerrostamisessa mahdollistaa paremman puolijohdemateriaalien kantajapitoisuuden hallinnan, mikä muuttaa niiden sähköisiä ominaisuuksia merkittävästi.

Erikoiskaasut ja lisäaineet

Silaani (SiH₄):
Rooli: Sen lisäksi, että silaani on piin kerrostuksen esiaste, se voidaan polymeroida passivoivaksi kalvoksi, joka parantaa elektronisia ominaisuuksia.
Lisähuomautuksia: Sen reaktiivisuus vaatii huolellista käsittelyä turvallisuussyistä, erityisesti kun se sekoitetaan ilman tai hapen kanssa.

Ammoniakki (NH₃):
Rooli: Nitridikalvojen valmistuksen lisäksi ammoniakki on merkittävä puolijohdelaitteiden luotettavuutta lisäävien passivointikerrosten valmistuksessa.
Lisähuomautuksia: Se voi olla mukana prosesseissa, jotka edellyttävät typen sisällyttämistä piihin, mikä parantaa elektronisia ominaisuuksia.

Fosfiini (PH3), arsiini (AsH3) ja diboraani (B2H6):
Rooli: Nämä kaasut eivät ole vain välttämättömiä dopingille, vaan ne ovat myös kriittisiä haluttujen sähköisten ominaisuuksien saavuttamiseksi kehittyneissä puolijohdelaiteissa.
Lisähuomautuksia: Niiden myrkyllisyys edellyttää tiukkoja turvallisuusprotokollia ja valvontajärjestelmiä valmistusympäristöissä vaarojen vähentämiseksi.

Etsaus- ja puhdistuskaasut

Fluorihiilivedyt (CF4, SF6):
Rooli: Näitä kaasuja käytetään kuivaetsausprosesseissa, jotka tarjoavat korkean tarkkuuden märkäetsausmenetelmiin verrattuna.
Lisähuomautuksia: CF4 ja SF₆ ovat merkittäviä, koska ne pystyvät syövyttämään tehokkaasti piipohjaisia ​​materiaaleja, mikä mahdollistaa hienon kuvion resoluution, joka on kriittinen nykyaikaisessa mikroelektroniikassa.

Kloori (Cl2) ja fluorivety (HF):
Rooli: Kloori tarjoaa aggressiivisia etsausominaisuuksia erityisesti metalleille, kun taas HF on ratkaisevan tärkeä piidioksidin poistamisessa.
Lisähuomautuksia: Näiden kaasujen yhdistelmä mahdollistaa tehokkaan kerroksen poistamisen eri valmistusvaiheiden aikana, mikä varmistaa puhtaat pinnat myöhempiä käsittelyvaiheita varten.

Typpitrifluoridi (NF₃):
Rooli: NF₃ on keskeinen ympäristön puhdistuksessa CVD-järjestelmissä ja reagoi epäpuhtauksilla optimaalisen suorituskyvyn ylläpitämiseksi.
Lisähuomautuksia: Huolimatta huolista sen kasvihuonekaasupotentiaalista, NF₃:n puhdistustehokkuus tekee siitä suositeltavan valinnan monissa tehtaissa, vaikka sen käyttö vaatii huolellista ympäristöharkintaa.

Happi (O2):
Rooli: Hapen edistämät hapettumisprosessit voivat luoda puolijohderakenteisiin olennaisia ​​eristäviä kerroksia.
Lisähuomautuksia: Hapen rooli piin hapettumisen tehostamisessa SiO₂-kerrosten muodostamiseksi on kriittinen piirikomponenttien eristämisessä ja suojauksessa.

Nousevat kaasut puolijohteiden valmistuksessa

Yllä lueteltujen perinteisten kaasujen lisäksi muut kaasut saavat huomiota puolijohteiden valmistusprosessissa, mukaan lukien:

Hiilidioksidi (CO₂): Käytetään joissakin puhdistus- ja etsaussovelluksissa, erityisesti kehittyneissä materiaaleissa.

Piidioksidi (SiO₂): Vaikka se ei ole kaasu standardiolosuhteissa, piidioksidin höyrystyneitä muotoja käytetään tietyissä saostusprosesseissa.

Ympäristönäkökohdat

Puolijohdeteollisuus keskittyy yhä enemmän erilaisten kaasujen, erityisesti voimakkaiden kasvihuonekaasujen, käyttöön liittyvien ympäristövaikutusten vähentämiseen. Tämä on johtanut kehittyneiden kaasunhallintajärjestelmien kehittämiseen ja vaihtoehtoisten kaasujen etsimiseen, jotka voivat tarjota samanlaisia ​​etuja pienemmällä ympäristöjalanjäljellä.

Johtopäätös

Puolijohteiden valmistuksessa käytetyillä kaasuilla on ratkaiseva rooli valmistusprosessien tarkkuuden ja tehokkuuden varmistamisessa. Teknologian kehittyessä puolijohdeteollisuus pyrkii jatkuvasti parantamaan kaasun puhtautta ja hallintaa, samalla kun käsitellään niiden käyttöön liittyviä turvallisuus- ja ympäristönäkökohtia.