电子特气并非“一种气体打天下”,而是按工艺环节分别匹配纯度等级与混配精度。半导体制造使用气体超过100种,特种气体与大宗气体用量各占约一半;电子特气以化合物气体为主,参与化学气相沉积(CVD)、离子注入、光刻胶印刷、扩散、刻蚀、掺杂等环节,大宗气体则多作反应气或保护气。提纯路线因此不是单选,而是精馏分离、分子筛吸附分离、膜分离三大类按环节需求组合使用;纯度随制程提升,进入纳米时代后至少需达5N,先进制程更要求6N以上。
不同工艺环节,对气体的要求并不相同
从应用看,各环节用气差异明显:CVD环节涉及氨气、氧化亚氮、TEOS、硅烷、六氟化钨等;离子注入用到三氟化硼、磷化氢、四氟化硅等;光刻胶印刷涉及氟气、氢气、氖气等;刻蚀则包括四氟化碳、八氟环丁烷、三氟甲烷、六氟化硫等;掺杂环节多用含硼、磷、砷等三族及五族原子的气体。
这些环节对纯度的敏感度不同。气体纯度直接影响芯片的技术指标和良率,纯度等级从3N、4N到5N、6N及6N以上,分别对应一般器件、晶体管和晶闸管、大规模集成电路、超大规模和特大规模集成电路等不同工艺。
提纯路线如何匹配:纯度与配比两条主线
电子特气的两大技术瓶颈,一是提纯,二是混合气体的精确配比。提纯原理分为精馏分离、分子筛吸附分离、膜分离三类,实际操作中往往多种方法组合,以提升效率和良品率,工艺复杂、研发壁垒高。
混配环节同样关键。光刻气包含氩/氟/氖混合气、氪/氖混合气等多种组合,需按重量法、分压法、动态体积法等配比,对累计误差控制和配比精度要求很高。配比精度是最核心的参数:以光刻气为例,若混合精度与要求偏差偏大,会造成光线波长偏差,进而影响光刻机分辨率。因此,高纯度环节更依赖深度提纯与多路线组合,而混合气环节则要在提纯基础上叠加高精度配比能力。
常见问题
电子特气和大宗气体在半导体制造中如何分工?
电子特气以化合物气体为主,通过化学反应参与芯片制造,如利用硅烷反应生成二氧化硅介质。大宗气体一般是纯净气体,既可作反应气参与化学反应,也可在高温烘烤或清洗中作保护气,常见为氮气、氩气等惰性气体。
为什么先进制程对气体纯度要求更高?
气体纯度直接影响芯片的技术指标和良率。进入纳米时代后,气体纯度至少要达到5N,先进制程更要求6N以上,对应杂质含量控制更严,提纯路线的组合与效率因此成为关键。
光刻气为什么强调配比精度?
光刻气是光刻机产生深紫外激光的光源,不同光刻气产生不同波长光源,波长直接影响光刻机分辨率。若混合气精度与要求相差偏大,会造成光线波长偏差,从而影响分辨率,所以配比精度被视为最核心的参数。