半導體製造中的化學品簡介

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 半導體製造業使用大量的化學品來製造矽圓片。另外化學品也被用於清洗矽圓片和處理在製造工藝中使用的工具。在矽圓片製造中使用的化學材料被稱為工藝用化學品，它們有不同種類的化學形態並且要嚴格控制純度。為了理解工藝化學品,我們先複習一下基礎化學裡面的一些概念。

1 物質形態

宇宙中的所有物質都存在三種基本形態：固態、液態或氣態。另外還有第四種形態:等離子體。

固體有其自己固定的形狀，不會隨著容器的形狀而改變。液體隨著容器的形狀而改變自己的形狀。液體會填充容器的相當於液體體積大小的區域，並會形成表面。氣體也隨著容器的形狀而改變自己的形狀，但氣體會充滿整個容器，不會形成表面。氣體微粒小且能夠自由移動。一些氣體像氫氣和氧氣，是活性氣體，很容易與其他氣體或元素反應形成穩定的化合物。而另外一些氣體像氦氣和氬氣，是惰性氣體。很難形成化合物。由於惰性氣體不與其他化學材料反應，所以被廣泛用於半導體製造業中。當有高能電離的分子或原子的聚集體存在時就會出現等離子體。這種形態與前三種物質形態有相當大的不同。舉例來說，恆星、螢光燈和霓虹燈都是等離子體。將一定的氣體曝露在高能電場中，就能誘發等離子態。我們在隨後的章節中將會看到等離子體被廣泛用於半導體製造業中。

2 材料的屬性

材料屬性有兩類，化學屬性和物理屬性。材料的物理屬性是指那些通過物質本身而不需要與其他物質相互作用反映出來的性質。物理屬性有：熔點、沸點、電阻率和密度等。材料的化學屬性是指那些通過與其他物質相互作用或相互轉變而反映出來的性質。化學屬性有：可燃性、反應性和腐蝕性。

2.1 半導體製造中的化學屬性

在製造矽集成電路晶片中有許多不同種類的化學品和化學材料。化學品的一些屬性對於理解新的半導體工藝材料的存在有很重要的意義，這些屬性有:溫度、密度、壓強和真空、表面張力、冷凝、熱膨脹、蒸氣壓、應力、升華和凝華。

一．溫度  溫度是比較一個物質相對於另外一個物質是冷還是熱的量度標準，因此它也是物質分子或原子平均動能或熱能的量度標準。不同溫度的物體之間傳遞的能量叫熱。矽圓片製造中大量需要處理在高溫下的情況，比如需要加熱來影響化學反應或者對矽單晶結構退火使原子重新排列。

二．密度  物質的密度被定義為它的質量（或重量）除以它的體積。矽的密度是2.3。

三．氣體的壓強和真空  氣體充滿容器的體積並且施加相同的壓強於容器的器壁上，壓強為施加在表面單位面積上的壓力。壓強是在半導體製造中被廣泛使用的屬性。如果容器內的氣體壓強小於14.7psi，則存在真空。真空通過抽出密閉容器中的氣體分子來獲得低於大氣壓的壓強。在半導體製造中，一些製造工藝在大氣壓下進行，一些需要很高的壓強而另外一些需要在真空環境中進行。

四．表面張力  當一滴液體在一個平面上，液滴存在著一個接觸表面積（見圖3.1）液滴的表面張力是增加接觸表面積所需的能量。隨著表面積的增加，液體分子必須打破分子間的引力，從液體內部運動到液體的表面，因此需要能量。表面張力的概念用在半導體製造中來衡量液體均勻塗在矽圓片表面的粘附能力。

 

五．冷凝和汽化  氣體變成液體的過程被稱做冷凝，從液體變成氣體的相反過程叫汽化。

六．熱膨脹  當一個物體被加熱時，由於原子的振動加劇，它的體積就會發生膨脹。衡量材料熱膨脹大小的參數是熱膨脹係數（CTE）。非晶材料的熱膨脹是各向同性的，而所有晶體材料，比如單晶矽，熱膨脹是各向異性的。

七．蒸氣壓  蒸氣壓是在密閉容器中氣體分子施加的壓力，這時汽化和冷凝的速率處於動態平衡。

八．應力  當一個物體受到外力的作用時就會產生應力。在矽圓片中有多種原因可以導致應力的產生。矽片表面的物理損傷；位錯、多餘的空隙和雜質產生的應力；外界材料生長都可以產生應力。如果兩個熱膨脹係數（CTE）相差很大的物體結合在一起，然後加熱，由於兩種材料以不同的速率膨脹導致它們彼此推拉，因而產生應力。由於CTE不匹配產生的應力會使矽片彎曲。在半導體製造工藝中由於微晶片採用多層不同的CTE材料的平面工藝，所以非常關心這種應力。

九．升華和凝華  固體通過升華過程能夠直接變成氣體，氣體直接變成固體的過程叫凝華。

3 工藝用化學品

半導體製造業是與化學密切相關的工藝過程，其中使用了多種超高純度的工藝用化學品。化學品在半導體製造業中的主要用途有：

● 用溼法化學溶液和超純淨的水清洗或準備矽片表面。

● 用高能離子對矽片進行摻雜得到p型和n型矽材料。

● 澱積不同的金屬導體層以及導體層之間必要的介質層。

● 生長薄的二氧化矽層作為MOS器件主要的柵極介質材料。

● 用等離子體增強刻蝕或溼法試劑有選擇地去除材料並在薄膜上形成所需要的圖形。

一． 酸

在半導體製造過程中使用了多種酸。表3.1列出了一些常用的酸及其在矽片加工中的特定用途。

 

 

二． 鹼

表3.2列出了在半導體製造過程中通常會使用的鹼性物質。

 

三． 溶劑

表3.3列出了矽片廠常用的溶劑。

 

去離子水是在半導體製造過程中廣泛使用的溶劑，在它裡面沒有任何導電的離子。去離子水的pH值為7，既不是酸性也不是鹼性，是中性的。它能夠溶解其他物質，包括許多離子化合物和共價化合物。

四．化學品的輸送

在半導體工業中使用的化學品有很多是有毒性並且危險的化學品安全、高純度和不間斷地從存儲罐中輸送到工藝工具是至關重要的。對於液態化學品來說，這種輸送過程是通過批量化學材料配送（BCD）系統完成的。

BCD系統是由化學品源（如一個存儲罐）、化學品輸送模塊和管道系統所組成的（見圖3.2）。BCD系統的存儲罐常常建造在主要生產線的地下，輸送模塊用來過濾、混合和輸送化學品，然後通過管道系統將化學藥輸送到獨立的工藝線。現代的BCD系統是一個集成了計算機和網絡化的系統，它能夠對化學品的輸送進行實時監控。

 

怎樣來存儲和輸送工藝用化學品取決於這些因素：化學品的兼容性、減少化學品的沾汙和安全性。在半導體製造過程中對化學品純度的要求是超高純淨（UHP），對雜質的控制是要低於十億分之一（ppb）到萬億分之一（ppt）的範圍之內。

並不是所有的化學品都這樣來輸送的，一些化學品並不適合由BCD系統來輸送，它們或者是使用的數量很少或者是在使用前存放的時間長度有限。為了使這些化學品能夠在工藝站點存儲和使用，將用特別的包裝系統便於它們定點輸送。

五．氣體

半導體製造過程中大概使用了50餘種不同種類的氣體。由於不斷有新的材料被引入到半導體製造過程中，所以氣體的種類和數量是不斷發生變化的。氣體通常被分成兩類：通用氣體和特種氣體。

所有氣體都要求有極高的純度，通用氣體要控制在7個9以上的純度（99.99999%）, 特種氣體則要控制在4個9以上的純度（99.99%）。氣體中的雜質微粒要控制在0.1µm之內，其他需要控制的沾汙是氧、水分和痕量雜質，例如金屬。許多工藝氣體都具有毒性、腐蝕性、活性和自燃（暴露在空氣中燃燒）。因此，在矽片廠氣體是通過氣體配送系統（BGD）以安全、清潔和精確的方式輸送到不同工藝站點的。見圖3.3。

 

表3.4和表3.5分別列出了在半導體製造過程中用到的一些通用氣體和特種氣體以及它們的用途。

 

 

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