Halvledartillverkning bygger på en mängd olika gaser, som kan kategoriseras i tre huvudtyper: bulkgaser, specialgaseroch etsgaser. Dessa gaser måste vara av extremt hög renhet för att förhindra kontaminering, vilket kan förstöra den känsliga och komplexa tillverkningsprocessen.

Bulkgaser

Kväve (N₂):

Roll: N₂ tjänar flera syften, inklusive rensning av processkammare och tillhandahållande av en inert atmosfär under olika stadier av halvledartillverkning.
Ytterligare anmärkningar: Kväve används ofta vid transport och lagring av kiselskivor för att minimera oxidation. Dess inerta natur säkerställer att den inte reagerar med andra material, vilket gör den idealisk för att upprätthålla rena bearbetningsmiljöer.

Argon (Ar):
Roll: Utöver sitt engagemang i plasmaprocesser är argon avgörande i processer där kontrollerade gassammansättningar är avgörande.
Ytterligare anmärkningar: Eftersom det inte reagerar med de flesta material, används argon också för sputtering, vilket hjälper till att avsätta metall eller dielektriska filmer där ytor måste bibehållas utan förorening.

Helium (He):
Roll: Heliums termiska egenskaper gör det ovärderligt för att kyla och bibehålla temperaturkonsistens under reaktiva processer.
Ytterligare anmärkningar: Den används ofta i högenergilasersystem för litografi på grund av dess icke-reaktiva karaktär och förmåga att hålla den optiska vägen fri från kontaminering.

Väte (H₂):
Roll: Utöver dess tillämpning vid glödgning, hjälper väte också till att rengöra ytan på wafers och kan vara involverad i kemiska reaktioner under epitaxi.
Ytterligare anmärkningar: Användningen av väte vid avsättningen av tunna filmer möjliggör större kontroll över bärarkoncentrationen i halvledarmaterial, vilket ändrar deras elektriska egenskaper avsevärt.

Specialgaser och dopningsmedel

Silan (SiH₄):
Roll: Förutom att vara en prekursor för kiselavsättning kan silan polymeriseras till en passiverande film som förbättrar elektroniska egenskaper.
Ytterligare anmärkningar: Dess reaktivitet kräver noggrann hantering på grund av säkerhetsproblem, särskilt när den blandas med luft eller syre.

Ammoniak (NH₃):
Roll: Förutom att producera nitridfilmer är ammoniak betydelsefull för att producera passiveringsskikt som förbättrar tillförlitligheten hos halvledarenheter.
Ytterligare anmärkningar: Det kan vara involverat i processer som kräver inkorporering av kväve i kisel, vilket förbättrar elektroniska egenskaper.

Fosfin (PH₃), Arsin (AsH₃) och Diboran (B₂H6):
Roll: Dessa gaser är inte bara nödvändiga för dopning utan är också avgörande för att uppnå de önskade elektriska egenskaperna i avancerade halvledarenheter.
Ytterligare anmärkningar: Deras toxicitet kräver strikta säkerhetsprotokoll och övervakningssystem i tillverkningsmiljöer för att minska riskerna.

Etsnings- och rengöringsgaser

Fluorkolväten (CF4, SF6):
Roll: Dessa gaser används i torretsningsprocesser, som erbjuder hög precision jämfört med våtetsningsmetoder.
Ytterligare anmärkningar: CF₄ och SF₆ är betydande på grund av deras förmåga att effektivt etsa kiselbaserade material, vilket möjliggör finmönsterupplösning som är kritisk i modern mikroelektronik.

Klor (Cl₂) och vätefluorid (HF):
Roll: Klor ger aggressiva etsningsförmåga, särskilt för metaller, medan HF är avgörande för avlägsnande av kiseldioxid.
Ytterligare anmärkningar: Kombinationen av dessa gaser möjliggör effektiv borttagning av skikt under olika tillverkningssteg, vilket säkerställer rena ytor för efterföljande bearbetningssteg.

Kvävetrifluorid (NF₃):
Roll: NF₃ är avgörande för miljörening i CVD-system, och svarar med föroreningar för att bibehålla optimal prestanda.
Ytterligare anmärkningar: Trots farhågor om dess växthusgaspotential, gör NF₃:s effektivitet vid rengöring det till ett föredraget val i många fabriker, även om användningen kräver noggrann miljöhänsyn.

Syre (O₂):
Roll: Oxidationsprocesserna som underlättas av syre kan skapa väsentliga isolerande skikt i halvledarstrukturer.
Ytterligare anmärkningar: Oxygens roll för att förbättra oxidationen av kisel för att bilda SiO₂-lager är avgörande för isolering och skydd av kretskomponenter.

Framväxande gaser i halvledartillverkning

Förutom de traditionella gaserna som listas ovan, får andra gaser uppmärksamhet i halvledartillverkningsprocessen, inklusive:

Koldioxid (CO₂): Används i vissa rengörings- och etsningsapplikationer, särskilt de som involverar avancerade material.

Kiseldioxid (SiO₂): Även om det inte är en gas under standardförhållanden, används förångade former av kiseldioxid i vissa avsättningsprocesser.

Miljöhänsyn

Halvledarindustrin fokuserar alltmer på att minska miljöpåverkan i samband med användningen av olika gaser, särskilt de som är potenta växthusgaser. Detta har lett till utveckling av avancerade gashanteringssystem och utforskning av alternativa gaser som kan ge liknande fördelar med ett lägre miljöavtryck.

Slutsats

Gaserna som används i halvledartillverkning spelar en avgörande roll för att säkerställa precisionen och effektiviteten i tillverkningsprocesserna. I takt med att tekniken går framåt strävar halvledarindustrin kontinuerligt efter förbättringar av gasens renhet och hantering, samtidigt som de tar itu med säkerhets- och miljöproblem som är förknippade med deras användning.