在现代科技的世界里， 半导体 是国王。这些微小而复杂的芯片为从智能手机到汽车以及运行互联网的数据中心的一切设备提供动力。但是什么推动了这些芯片的诞生呢？答案令人惊讶的是 气体。不只是任何 气体，但是 高纯气体 难以想象的清洁度。作为一家拥有 7 条工业气体生产线的工厂的老板，我亲眼目睹了对纯度的需求是如何猛增的。本文是为像 Mark Shen 这样处于行业前沿的商界领袖而写的。 气体 供应链。您了解质量和价格，但要真正引领这个市场，您需要了解 为什么。我们将揭开复杂世界的神秘面纱 半导体制造，用简单的话解释为什么单个流浪者 粒子 在一个 气体 流媒体可能会花费工厂数百万美元。这是您的语言指南 半导体产业 并成为不可或缺的合作伙伴。

气体在半导体芯片制造中起什么作用？

其核心是， 半导体制造 是在薄盘上构建微观多层电路的过程 硅，称为 晶圆。想象一下，试图建造一座邮票大小的摩天大楼，拥有数十亿个房间和走廊。这就是我们所说的规模。为了实现这一点，你不能使用物理工具。相反，整个 制造过程 依赖于一系列精确的化学反应，而这些反应的主要载体是 气体.

气体就像构建这些电路的无形之手。他们从事几项关键工作。有些，比如 氮，创造一个完全清洁和稳定的环境，防止不必要的反应。其他被称为工艺气体的气体是实际的构建块或雕刻工具。例如，一个特定的 气体类型 可能用于沉积导电材料的微观层，而另一个 气体 用来精确地 蚀刻 去除材料以形成电路路径。每一步，从清洁 晶圆 构建最终的晶体管，涉及特定的 气体 或气体混合物。的精度 气体流量 其化学成分直接决定了其成功与否 芯片制造 过程。

为什么纯度在半导体制造中如此重要？

在我们的日常生活中，一点点灰尘或者 空气污染 没什么大不了的。但里面一个 半导体 制造工厂，或者“fab”，这是一场灾难。这些组件构建在 硅 晶圆 通常以纳米为单位测量——即十亿分之一米。从长远来看，一根人类头发的宽度约为 75,000 纳米。一粒微小的灰尘 粒子 你甚至看不到世界上的一块巨石 半导体 捏造。

这就是为什么 纯度 是气体最重要的一个特性 用于半导体 生产。任何不需要的分子——无论是杂散的水分子还是微小的金属 粒子，或不同的 气体 分子——被认为是 杂质。这 污染 可以彻底破坏微妙的 化学反应 发生在 晶圆的表面。单个 杂质 可以阻止电路形成，导致短路，或改变 半导体的电特性 材料。因为单 晶圆 可能包含数百或数千个单独的芯片，一个微小的错误可能会导致巨大的财务损失。整个过程需要 最高纯度 根本不去工作。

气体中的杂质如何影响半导体生产？

当 杂质 存在于一个过程中 气体，它可能会导致“杀手 缺陷”。这不仅仅是一个小缺陷；这是一个 缺陷 使整个微芯片位于该部分 晶圆 无用。让我们看看这是如何发生的。期间 沉积 阶段，其中薄膜正在逐层构建，这是不需要的 粒子 可以降落在地表。当下一层沉积在顶部时，它会产生微小的凸块或空隙。这一缺陷可能会破坏电气连接或产生意外的连接，从而有效地破坏正在构建的晶体管。

其后果对晶圆厂的利润来说是毁灭性的。成功的主要衡量标准 半导体 fab 是“产量”——单个芯片生产出的工作芯片的百分比 晶圆。即使是很小的下降 产量，从 95% 到 90%，可能意味着数百万美元的收入损失。 气体杂质 是减少的直接原因 产量。这就是为什么 半导体制造商 痴迷于 气体纯度。他们需要确定 气体 输入他们价值数十亿美元的工具绝对不受任何影响 污染物 这可能会使 半导体制造工艺。这是一场微观精度的游戏，误差空间为零。

半导体制造中使用的关键气体有哪些？

所用气体范围 半导体产业 气体种类繁多，但通常分为两类：大宗气体和特种气体。

• 大宗气体： 它们的使用量巨大，构成了制造环境的基础。

  • 氮气 (N2)： 这是主力。超高 纯度 氮 用于在制造工具内创建惰性“气氛”。这样可以清除氧气、水分和其他颗粒，防止不必要的氧化或 污染 的 晶圆.
  • 氢气 (H2)： 常与其他气体混合使用， 氢 对于某些情况至关重要 沉积 工艺以及创建构建晶体管结构所需的高度特定的化学环境。
  • 氩气（Ar）： 作为惰性 气体，氩气用于一种称为溅射的过程，其中它用于轰击目标材料，将原子击松，然后沉积到 晶圆。它还用于创建 等离子 在许多 蚀刻 流程。

• 特种气体： 这些是复杂的、通常危险的、高度工程化的气体，用于特定的工艺步骤。它们是“活性”成分。

  • 蚀刻剂： 氯 (Cl2) 和溴化氢 (HBr) 等气体用于精确雕刻或 蚀刻 图案层 晶圆.
  • 掺杂剂： 使用砷化氢 (AsH₃) 和磷化氢 (PH₃) 等气体来有意引入特定的 杂质 进入 硅 改变其电气特性，这就是晶体管的控制方式。
  • 沉积气体： 硅烷 (SiH₄) 是一个典型的例子，用作 硅 沉积薄膜。

对于像马克这样的采购官员来说，重要的是要知道，虽然所有这些气体都不同，但它们有一个共同的要求：极端 纯度.

您能用简单的术语解释沉积和蚀刻吗？

半导体生产 涉及数百个步骤，但其中大多数是两个基本过程的变体： 沉积 和 蚀刻。简单地理解这些是理解其作用的关键 气体.

1. 沉积：构建层
想想 沉积 就像用分子喷漆一样。目标是在材料上添加一层超薄、完全均匀的材料层 硅片.

• 流程： 一个过程 气体 （如硅烷）与 载气 （喜欢 氮 或者 氢）。这个 气体 然后将混合物引入含有 晶圆。一个 化学反应 被触发，通常是由热或 等离子，导致分子“沉淀”出来 气体 并形成固体 薄膜 在 晶圆的表面。
• 为什么纯度很重要： 如果有污染物 粒子 在 气体 流，就像一粒灰尘进入你的喷漆。它将嵌入到新层中，创建一个结构 缺陷。如果有不需要的 气体 分子，它可能会发生错误反应，改变该层的化学组成和电性能。

2. 蚀刻：雕刻电路
构建完一层后，需要在其中雕刻电路图案。 蚀刻 是选择性去除材料的过程。

• 流程： 这 晶圆 涂有一种称为光致抗蚀剂的光敏材料。图案被投影到其上（如模板）。然后将暴露的区域硬化。的 晶圆 然后放入充满蚀刻剂的腔室中 气体 （如氟基化合物）。这个 气体 被通电成 等离子 状态，使其具有高度反应性。的 等离子 轰炸 晶圆，化学侵蚀材料 仅 在不受模板保护的区域。
• 为什么纯度很重要： 气体中的杂质 用于蚀刻可以改变反应速率。这可能会导致电路被雕刻得太宽、太窄或根本不雕刻。一种金属 粒子 杂质 甚至可以阻止 蚀刻 在一个微小的点上进行处理，留下一个不需要的材料的“柱子”，使电路短路。

如何测量和维持超高气体纯度？

在 全球半导体产业，像“百分比”这样的标准纯度测量是没有用的。我们正在处理 污染 其规模难以理解。纯度的测量单位为 万亿分之一 （PPT）。这意味着对于每个 万亿 气体 分子中，只能有一个或两个杂质分子。

为了达到并验证这一水平 气体纯度，一个复杂的系统 气体净化 并需要进行分析。

在我们的工厂，我们不仅生产 气体;我们生活和呼吸 质量控制。这 燃气供应 链为一个 半导体 fab 涉及在使用点安装的专门净化器。此外，先进的 气体分析 工具用于 实时监控。技术如 大气压电离质量 光谱分析 (APIMS) 可以执行 杂质检测 降至万亿分之一的水平，确保 超高压气体 （超高纯度）进入制程工具完美。

是什么让高纯度气体供应商变得可靠？

对于像马克这样经历过发货延误和证书欺诈之苦的采购主管来说，可靠性就是一切。在世界上 高纯度半导体 气体的可靠性取决于三个支柱：生产一致性、质量保证和物流专业知识。

1. 生产一致性： 一个可靠的供应商必须拥有强大且冗余的生产能力。以我们工厂的七条生产线为例，确保我们可以 满足高要求 并且一行中的问题不会停止我们的整个输出。这最大限度地降低了供应中断的风险，而供应中断可能导致数十亿美元的工厂停工。 半导体 很棒。
2. 可验证的质量保证： 仅仅声称你拥有是不够的 高纯气体。你必须能够证明这一点。这意味着投资最先进的分析设备 杂质检测。它还意味着为每批货物提供透明、可追溯的分析证书 (CoA)。打击证书欺诈是为了建立基于信任和可验证数据的长期关系。
3. 物流专业知识： 得到一个 腐蚀性气体 从中国或低温液体到美国并不简单。它需要专门的集装箱、国际航运法规的知识以及精心的规划以避免延误。可靠的供应商知道这不仅仅是运送一个盒子；而是运送一个盒子。它正在管理全球的一个关键部分 半导体 供应链.

大宗气体和特种气体有什么区别？

了解之间的区别 大宗气体 和 特种气体 对于任何参与采购的人来说都是关键 半导体产业。虽然两者都需要极端 纯度，它们的规模、处理和应用都非常不同。

大宗气体， 喜欢 散装高纯度特种气体，参考 氮气等气体、氧气、氩气和 氢。它们是晶圆厂环境的基础。术语“批量”是指使用的大量。这些气体通常在现场或附近生产，并通过专用管道直接输送到工厂的内部分配系统。这里的主要挑战是维持 纯度 通过庞大的分销网络，确保不间断的大批量供应。

特种气体 （或者 电子气体）指的是一大类通常为特殊工艺步骤（例如蚀刻和 沉积。例子包括硅烷、氨、三氯化硼和三氟化氮。这些都是通过单独的高压气瓶交付的。面临的挑战 特种气体 处理时极其安全，确保气体混合物完美的混合一致性，并防止钢瓶内发生任何可能危及安全的化学反应 气体质量.

高纯度半导体气体的需求如何变化？

这 半导体产业 永远不会停滞不前。摩尔定律指出，芯片上的晶体管数量大约每两年就会增加一倍，这一定律不断突破物理学的界限。随着晶体管尺寸的缩小，它们的敏感度呈指数级增长 污染。一个 粒径 五年前可以接受的是“杀手” 缺陷“今天。

这种对更小、更强大芯片的不懈追求意味着对更高水平的需求 气体纯度 正在增长。我们正在从一个以十亿分之一为黄金标准的世界，转向以万亿分之一为最低准入要求的世界。 先进半导体 节点。此外，新材料和芯片架构，如 3D NAND 和环栅 (GAA) 晶体管，需要全新的产品组合 下一代天然气 混合物和前体。作为 气体制造商，我们不断创新，开发新的纯化技术和分析方法，以跟上时代的步伐 全球半导体产业.

作为买家，我应该寻找哪些质量认证？

在供应商的世界里摸索可能很困难，尤其是在处理技术产品时。认证为供应商的能力和质量承诺提供了重要的第三方验证。采购时 高纯气体 为 半导体产业，这里有一些需要寻找的东西：

• ISO 9001： 这是质量管理体系的基本认证。它表明供应商拥有明确且可重复的生产、检验和交付流程。
• ISO/IEC 17025： 这是一个关键的问题。它是测试和校准实验室能力的标准。获得此认证的供应商已经证明，他们的内部实验室（为您生成分析证书的实验室）是准确且可靠的。
• 可追溯分析： 始终要求每个钢瓶或批次提供分析证书 (CoA)。该证书应详细说明关键的确切级别 气体中的杂质，通过特定的分析方法测量，例如 气相色谱法 或质谱分析。

作为像马克这样果断的领导者，你最好的工具就是提出探究性问题。不要只是问“这是 气体 纯粹吗？”问“你如何证明它是纯净的？向我展示你的实验室的认证。解释一下你确保批次间一致性的流程。”真正专业且可靠的合作伙伴会欢迎这些问题，并给出自信、透明的答案。

要点

• 天然气是一种工具： 在 半导体制造，气体不仅仅是材料；它们是用于在计算机上构建和雕刻微观电路的精密工具 硅片.
• 纯洁就是一切： 规模为 芯片制造 是如此之小以致于单个不需要的 粒子 或者 杂质 分子可以破坏芯片，使 超高纯度 不可协商的要求。
• 产量是目标： 主要影响 气体污染 是制造业的减少 产量，这直接意味着数百万美元的收入损失 半导体工厂.
• 两个主要流程： 制造芯片的大多数步骤都涉及 沉积 （构建层）或 蚀刻 （雕刻图案），两者完全依赖于纯气体的精确化学反应。
• 可靠性是关键： 值得信赖的供应商 半导体气体 市场必须证明生产的一致性、通过认证实验室可验证的质量保证以及专业的物流管理。
• 未来更纯净： 随着半导体变得越来越先进，对更高水平的需求 气体纯度 （降至万亿分之一）只会继续增长。