Sản xuất chất bán dẫn phụ thuộc vào nhiều loại khí khác nhau, có thể được phân thành ba loại chính: khí số lượng lớn, khí đặc biệtvà khí ăn mòn. Những loại khí này phải có độ tinh khiết cực cao để ngăn ngừa ô nhiễm, có thể làm hỏng quá trình chế tạo tinh tế và phức tạp.

Khí số lượng lớn

Nitơ (N₂):

Vai trò: N₂ phục vụ nhiều mục đích, bao gồm làm sạch các buồng xử lý và cung cấp môi trường trơ ​​trong các giai đoạn sản xuất chất bán dẫn khác nhau.
Ghi chú bổ sung: Nitơ thường được sử dụng trong quá trình vận chuyển và lưu trữ các tấm silicon để giảm thiểu quá trình oxy hóa. Bản chất trơ của nó đảm bảo rằng nó không phản ứng với các vật liệu khác, khiến nó trở nên lý tưởng để duy trì môi trường xử lý sạch sẽ.

Argon (Ar):
Vai trò: Ngoài việc tham gia vào các quá trình plasma, argon còn là công cụ trong các quá trình mà thành phần khí được kiểm soát là rất quan trọng.
Ghi chú bổ sung: Vì nó không phản ứng với hầu hết các vật liệu nên argon cũng được sử dụng để phún xạ, giúp lắng đọng các màng kim loại hoặc điện môi ở những nơi bề mặt phải được duy trì không bị nhiễm bẩn.

Khí Heli (He):
Vai trò: Đặc tính nhiệt của Helium khiến nó trở nên vô giá trong việc làm mát và duy trì nhiệt độ ổn định trong các quá trình phản ứng.
Ghi chú bổ sung: Nó thường được sử dụng trong các hệ thống laser năng lượng cao để in thạch bản do tính chất không phản ứng và khả năng duy trì đường quang không bị nhiễm bẩn.

Hydro (H₂):
Vai trò: Ngoài ứng dụng trong ủ nhiệt, hydro còn hỗ trợ làm sạch bề mặt của tấm bán dẫn và có thể tham gia vào các phản ứng hóa học trong quá trình epitaxy.
Ghi chú bổ sung: Việc sử dụng hydro trong quá trình lắng đọng màng mỏng cho phép kiểm soát tốt hơn nồng độ chất mang trong vật liệu bán dẫn, làm thay đổi đáng kể tính chất điện của chúng.

Khí đặc biệt và tạp chất

Silan (SiH₄):
Vai trò: Ngoài việc là tiền chất cho sự lắng đọng silicon, silane còn có thể được trùng hợp thành màng thụ động giúp cải thiện các đặc tính điện tử.
Ghi chú bổ sung: Khả năng phản ứng của nó đòi hỏi phải xử lý cẩn thận do lo ngại về an toàn, đặc biệt khi trộn với không khí hoặc oxy.

Amoniac (NH₃):
Vai trò: Ngoài việc sản xuất màng nitrit, amoniac còn có vai trò quan trọng trong việc sản xuất các lớp thụ động giúp nâng cao độ tin cậy của các thiết bị bán dẫn.
Ghi chú bổ sung: Nó có thể tham gia vào các quá trình yêu cầu kết hợp nitơ vào silicon, cải thiện các đặc tính điện tử.

Phosphine (PH₃), Arsine (AsH₃) và Diborane (B₂H₆):
Vai trò: Những loại khí này không chỉ cần thiết cho việc pha tạp mà còn rất quan trọng để đạt được các tính chất điện mong muốn trong các thiết bị bán dẫn tiên tiến.
Lưu ý bổ sung: Độc tính của chúng đòi hỏi phải có các quy trình an toàn nghiêm ngặt và hệ thống giám sát trong môi trường chế tạo để giảm thiểu mối nguy hiểm.

Khí khắc và làm sạch

Fluorocarbon (CF₄, SF₆):
Vai trò: Những loại khí này được sử dụng trong quy trình khắc khô, mang lại độ chính xác cao so với phương pháp khắc ướt.
Ghi chú bổ sung: CF₄ và SF₆ rất quan trọng do khả năng khắc các vật liệu dựa trên silicon một cách hiệu quả, cho phép tạo ra độ phân giải mẫu tốt rất quan trọng trong vi điện tử hiện đại.

Clo (Cl₂) và Hydro Fluoride (HF):
Vai trò: Clo cung cấp khả năng ăn mòn mạnh mẽ, đặc biệt đối với kim loại, trong khi HF rất quan trọng để loại bỏ silicon dioxide.
Ghi chú bổ sung: Sự kết hợp của các loại khí này cho phép loại bỏ lớp hiệu quả trong các giai đoạn chế tạo khác nhau, đảm bảo bề mặt sạch sẽ cho các bước xử lý tiếp theo.

Nitơ Triflorua (NF₃):
Vai trò: NF₃ có vai trò then chốt trong việc làm sạch môi trường trong các hệ thống CVD, phản ứng với các chất gây ô nhiễm để duy trì hiệu suất tối ưu.
Ghi chú bổ sung: Bất chấp những lo ngại về tiềm năng phát thải khí nhà kính, hiệu quả làm sạch của NF₃ khiến nó trở thành lựa chọn ưu tiên ở nhiều nhà máy, mặc dù việc sử dụng nó đòi hỏi phải xem xét cẩn thận về môi trường.

Oxy (O₂):
Vai trò: Quá trình oxy hóa được hỗ trợ bởi oxy có thể tạo ra các lớp cách điện thiết yếu trong cấu trúc bán dẫn.
Ghi chú bổ sung: Vai trò của oxy trong việc tăng cường quá trình oxy hóa silicon để hình thành các lớp SiO₂ là rất quan trọng để cách ly và bảo vệ các thành phần mạch.

Các loại khí mới nổi trong sản xuất chất bán dẫn

Ngoài các loại khí truyền thống nêu trên, các loại khí khác đang được chú ý trong quá trình sản xuất chất bán dẫn, bao gồm:

Cacbon điôxit (CO₂): Được sử dụng trong một số ứng dụng làm sạch và khắc axit, đặc biệt là những ứng dụng liên quan đến vật liệu tiên tiến.

Silicon Dioxide (SiO₂): Mặc dù không phải là chất khí trong điều kiện tiêu chuẩn, nhưng các dạng silicon dioxide bay hơi được sử dụng trong một số quá trình lắng đọng nhất định.

Cân nhắc về môi trường

Ngành công nghiệp bán dẫn ngày càng tập trung vào việc giảm tác động môi trường liên quan đến việc sử dụng các loại khí khác nhau, đặc biệt là những loại khí gây hiệu ứng nhà kính mạnh. Điều này đã dẫn đến sự phát triển của các hệ thống quản lý khí tiên tiến và việc thăm dò các loại khí thay thế có thể mang lại những lợi ích tương tự nhưng lại ít gây ô nhiễm môi trường hơn.

Phần kết luận

Các loại khí được sử dụng trong sản xuất chất bán dẫn đóng một vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ chính xác và hiệu quả của quá trình chế tạo. Khi công nghệ tiến bộ, ngành công nghiệp bán dẫn không ngừng nỗ lực cải thiện độ tinh khiết và quản lý khí, đồng thời giải quyết các mối lo ngại về an toàn và môi trường liên quan đến việc sử dụng chúng.