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光伏动力工程

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日志

 
 

特种气体在电子行业中的应用  

2011-05-17 13:47:12|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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·综述评论·

李东升
(上海正帆超净技术有限公司,上海闵行春中路56号 201108)
摘要:论述了特种气体在集成电路、太阳能电池、化合物半导体、液晶显示器和光纤预制棒等电子行业中的应用,并
就其使用安全提出了建议。
关键词:特种气体;电子;半导体;应用;安全
中图分类号: TQ117 文献标识码:A 文章编号: 100727804 (2009) 0220001204
The Applica tion of Spec ia lty Ga ses in Electron ics Industr ies
L IDong2sheng
( Shanghai GenTech UHP Co. , L td. , 56 Chunzhong Road, Shanghai 201108, China)
Abstract: This article introduces the app lication of specialty gases in electronics industries, such as integrated circuit, so2
lar cell, compound semiconductor, TFT2LCD and op tical fiber perform. Safety recommendations are also given out during
usage.
KeyWords: specialty gas; electronics; semiconductor; app lication; safety
0 引 言
微电子从20世纪40年代末的第一只晶体管(锗
合金管) 问世, 至50年代中期出现了硅平面工艺,
此工艺不仅成为硅晶体管的基本制造工艺, 也使得将
多个分立晶体管制造在同一硅片上的集成电路成为可
能, 随着制造工艺水平的不断成熟, 使微电子从单只
晶体管发展到今天的超大规模集成电路。
本征半导体是化学成分纯净( 99199999% )
的半导体单晶体, 须在单晶炉中提炼得到。在本征
半导体中人为掺入某些微量元素作为杂质, 称为杂
质半导体。在提炼单晶的过程中一起完成。掺杂是
为了显著改变半导体中的自由电子浓度或空穴浓
度, 以明显提高半导体的导电性能。
电子行业常用的特气超过三十余种, 按危险性
质可分为不燃气体、可燃气体、氧化性气体、腐蚀
性气体、毒性气体等。按照物理形态可分为压缩气
体、液化气体和低温气体。
1 集成电路制造
111 集成电路芯片制程
微芯片制造涉及硅片制备、硅片制造、硅片测
试/拣选、装配与封装、最终测试等五个大的制造
阶段。这五个阶段是独立的, 在半导体公司内均具
有大型基础设施, 并且有提供专用化学材料和设备
的工业支撑网。仅在独立阶段运营的公司(像仅
制造芯片的芯片公司) , 必须满足业界标准以确保
最终微芯片满足性能目标。
图1 硅片制造前端工艺
Fig11 Front p rocess for silicon wafersmanufacturing
集成电路是在硅片制造厂中制造完成的。其可
分为六个独立的生产区(见图1) 。这六个主要的
生产区和相关步骤以及测量工具都在硅片厂的超净
第27卷第2期低温与特气Vol127,No12
2009年4月Low Temperature and Specialty Gases Ap r1, 2009  
① 收稿日期: 2009202203
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
间中。虽然对硅片上的独立管芯进行测试的测试/
拣选区就在硅片厂附近, 但是测试区并不与硅片制
造厂的其它部分在同一超净环境当中。装配和封装
则在其它工厂, 甚至在别的国家完成。
112 化学气相沉积和气体应用
化学气相沉积(CVD) 是通过气体混合的化
学反应, 在硅片表面沉积一层固体膜的工艺。硅片
表面及其邻近的区域被加热来向反应系统提供所需
的能量。化学气相沉积膜中所有的物质都源于外部
气源。原子或分子会沉积在硅片表面形成薄膜。
化学气相沉积通常包括气体传输至沉积区域、
膜先驱物的形成、膜先驱物附着在硅片表面、膜先
驱物粘附、膜先驱物扩散、表面反应、副产物从表
面移除、副产物从反应腔移除等八个主要步骤。化
学气相沉积常用的气体包括: SiH4、DCS、TCS、
SiCl4、TEOS、NH3、N2O、WF6、H2、O2 等。发
生的化学反应通常有:
SiH4 + O2 → SiO2 + H2
SiH4 → Si + H2
SiH4 + NH3 → Si3N4 + H2
SiH4 + N2O → SiO2 + N2 + H2
TEOS + O3 →SiO2 + H2O + CO2
DCS + NH3 → Si3N4 + HCl + H2
113 刻蚀和气体应用
刻蚀是采用化学和物理方法, 有选择地从硅片
表面去除不需要的材料的过程。刻蚀的目的是在涂
胶的硅片上正确地复制掩膜图形。刻蚀分为湿法刻
蚀和干法刻蚀。湿法刻蚀是利用液态化学试剂或溶
液通过化学反应进行刻蚀。干法刻蚀利用低压放电
产生的等离子体中的离子或游离基与材料发生化学
反应, 或通过轰击等物理作用而达到刻蚀的目的。
其主要介质是气体。干法刻蚀的优点是各向异性
(即垂直方向刻蚀速率远大于横向速率) 明显、特
征尺寸控制良好、化学品使用和处理费用低、蚀刻
速率高、均匀性好、良率高等。常用的干法刻蚀是
等离子体刻蚀。
硅片的刻蚀气体主要是氟基气体, 包括CF4、
CF4 /O2、SF6、C2 F6 /O2、NF3 等。但由于其各向同
性, 选择性较差, 因此改进后的刻蚀气体通常包括
氯基(Cl2 ) 和溴基(Br2、HBr) 气体。反应后的
生成物包括SiF4、SiCl4 和SiBr4。铝和金属复合层
的刻蚀通常采用氯基气体, 如CCl4、Cl2、BCl3 等。
产物主要包括AlCl3 等。
114 掺杂和气体应用
掺杂是将需要的杂质掺入特定的半导体区域
中, 以改变半导体电学性质, 形成pn 结、电阻、
欧姆接触等。p型半导体是在硅(锗) 单晶中掺入
少量三价元素硼(或铝、铟、镓等) , 则三价元素
原子在晶格中缺少一个价电子, 从而造成一个空
位。空位很容易俘获邻近四价原子的价电子, 即在
邻近产生一个空穴, 空穴可以参与导电。空位俘获
电子后, 使杂质原子成为负离子。负离子束缚于晶
格中, 不参与导电。掺杂后p型半导体中的空穴浓
度等于掺杂浓度。在p型半导体中空穴是多数载流
子, 自由电子是少数载流子。n 型半导体是在硅
(锗) 单晶中掺入少量五价元素磷(或砷、锑等) ,
则五价元素原子在晶格中多余一个价电子。多余价
电子容易成为自由电子, 可以参与导电。提供自由
电子后的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子。
正离子束缚于晶格中, 不参与导电。掺杂后n型半
导体中的自由电子浓度等于掺杂浓度。在n型半导
体中自由电子是多数载流子, 空穴是少数载流子。
掺杂工艺有扩散和离子注入等。扩散是在合适
的温度和浓度梯度下, 用III、V 族元素占据硅原
子位置。离子注入是将具有很高能量的杂质离子射
入半导体衬底中。常用的三价掺杂气体有B2H6、
BBr3、BF3 等, 常用的五价掺杂气体有PH3、
POCl3、AsH3、SbCl5 等。
2 太阳能电池
211 太阳能电池的应用
1839年法国科学家E Becquerel发现液体的光
生伏特效应(简称光伏效应) 。1954年, 美国贝尔
实验室研制出单晶硅太阳能电池。太阳能电池的原
理是基于半导体的光伏效应, 将太阳辐射直接转换
成电能。在pn结的内建电场作用下, n区的空穴
向p区运动, 而p区的电子向n区运动, 最后造成
在太阳能电池受光面(上表面) 有大量负电荷
(电子) 积累, 而在电池背光面(下表面) 有大量
正电荷(空穴) 积累。如在电池上、下表面做上
金属电极, 并用导线接上负载, 在负载上就有电流
通过。只要太阳光照不断, 负载上就一直有电流通
过。太阳能电池的应用首先是在太空领域。1958
年, 美国首颗以太阳能电池作为信号系统电源的卫
星先锋一号发射上天。随后, 太阳能电池在照明、
信号灯、汽车、电站等领域被广泛采用。特别是与
2                  低温与特气                 第27卷
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
LED技术的结合, 给太阳能电池的普及带来了巨
大潜力。
212 晶体硅太阳能电池生产工艺和气体应用
商业化生产的晶体硅太阳能电池通常采用多晶
硅材料。硅片经过腐蚀制绒, 再置于扩散炉石英管
内, 用POCl3 扩散磷原子, 以在p型硅片上形成深
度约015μm 左右的n 型导电区, 在界面形成pn
结。随后进行等离子刻蚀刻边, 去除磷硅玻璃。接
着在受光面上通过PECVD制作减反射膜, 并通过
丝网印刷烧结工艺制作上下电极。
晶体硅电池片生产中的扩散工艺用到POCl3 和
O2。减反射层PECVD工艺用到SiH4、NH3 , 刻蚀
工艺用到CF4。其发生的化学反应分别为:
POCl3 +O2 → P2O5 +Cl2
P2O5 + Si → SiO2 + P
SiH4 + NH3 → SiNx:H +H2
CF4 + O2 + Si → SiF4 + CO2
213 薄膜太阳能电池生产工艺和气体应用
商业化生产的薄膜太阳能电池分为非晶硅( a2
Si) 薄膜和非晶/微晶硅( a2Si /μc2Si) 叠层薄膜。
后者对太阳光的吸收利用更充分。其生产工艺首先
是在玻璃基板上制造透明导电膜( TCO) 。一般通
过溅射或LPCVD的方法。然后再通过PECVD方法
沉积p型、i型和n型薄膜。最后用溅射做背电极。
非晶硅太阳能电池在LPCVD沉积TCO工序用
到DEZn、B2H6 ; 非晶/微晶硅沉积工序用到SiH4、
PH3 /H2、TMB /H2、CH4、NF3 等。其发生的化学
反应分别为:
Zn (C2H5 ) 2 + H2O → C2H6 + ZnO
SiH4 + CH4 → a2SiC: H + H2
SiH4 → a2Si: H + H2
3 化合物半导体
311 化合物半导体的应用
化合物半导体通常由III、V族元素的化合物
反应形成的化合物, 具备半导体的性质, 包括
GaAs、InP、GaN、AlGaAs等。化合物半导体的主
要用途包括光电(发光二极管LED) 、微电子(无
线通信、光纤通信、移动通信、GPS全球导航) 、
军事领域(异质结双极晶体管HBT、高电子迁移
率晶体管HEMT) 、医疗领域(UV杀菌) 等。
312 MOCVD /LED生产工艺和气体应用
金属有机物化学气相沉积(MOCVD) 是1968
年由美国洛克威尔公司提出的制备化合物半导体单
晶薄膜的技术。发光二极管(LED) 是由III、V
族化合物, 如GaAs (砷化镓) 、GaP (磷化镓) 、
GaAsP (磷砷化镓) 等半导体制成的, 其核心是
pn结。因此它具有一般pn 结的特性, 即正向导
通, 反向截止、击穿特性。此外, 在一定条件下,
它还具有发光特性。在正向电压下, 电子由n区注
入p区, 空穴由p区注入n区。进入对方区域的少
数载流子一部分与多数载流子复合而发光。
图2 MOCVD制造模型
Fig12 MOCVD manufacturingmodel
  LED的制造工艺首先是MOCVD外延片制作;
然后对LED pn 结的两个电极进行加工, 包括清
洗、蒸镀、光刻、蚀刻、熔合、研磨; 最后进行划
片、测试和分选, 就可以得到所需的LED 芯片。
MOCVD工艺用到AsH3、PH3、NH3、N2、H2 等气
体。气体反应室模型见图2。刻蚀工艺用到BCl3、
第2期             李东升: 特种气体在电子行业中的应用            3
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
Cl2 等。
4 液晶显示器
411 TFT/LCD的应用
TFT (薄膜晶体管) / LCD (液晶显示器) 的
每个像素点都是由集成在自身上的TFT来控制,
是有源像素点。因此, 其具有体积小、重量轻、低
辐射、低耗电量、全彩化、速度快、对比度和亮度
高、屏幕观察角度大、分辨率高等优点, 是目前主
流的平面显示设备。
412 TFT/LCD生产工艺和气体应用
TFT/LCD的生产包括TFT阵列(包括薄膜、
光刻、刻蚀) 、彩色滤光片(包括黑矩阵膜、红绿
蓝膜、透明导电层) 、面板、模组等工序。薄膜工
序, 通过化学气相沉积, 在玻璃基板上沉积SiO2、
SiNx、a2Si、n 型a2Si薄膜。使用的特种气体有
SiH4、PH3、NH3、NF3 等。干法刻蚀工序, 在等
离子气态氛围中选择性腐蚀基材。通常采用SF6、
HCl、Cl2 等气体。
5 光 纤
511 光纤应用
光纤是当前信息传输中无可替代的传输介质,
全球80%以上信息量通过光纤传输。光纤的主要
成分是SiO2。从目前制造光纤的工艺来看, 其主
要原材料是SiCl4。当然根据光纤的品种不同, 类
型不同, 芯层掺杂微量元素的比例和成分也会不
同。而芯层掺杂的不同决定着光纤的特性。根据国
际电信联盟( ITU) 的相关规定, 光纤的种类主要
分为多模光纤(G1651光纤, 主要运用于局域网的
传输) 、单模光纤( G1652 主要运用于城域网、局
域网和长途干线的传输) 、色散位移单模光纤
(G1653) 和截止波长单模光纤(G1654) 、非零色
散位移单模光纤(G1655 /G1656, 主要用于长途干
线) 。
512 光纤预制棒的生产工艺和气体应用
通信用光纤大多数是由石英材料组成的。光纤
制造过程包括光纤预制棒制备、光纤拉丝等步骤。
目前, 光纤预制棒制备最常用的是两步法: 第一步
采用气相沉积工艺, 如外部气相沉积法(OVD) 、
轴向气相沉积法(VAD) 、改进的化学气相沉积法
(MCVD) 、等离子化学气相沉积法( PCVD) 等,
来生产光纤预制棒的芯棒(Core2rod) ; 第二步是
在气相沉积工艺获得芯棒的基础上加入外包层
(Over2cladding) , 制成光纤预制棒。
化学气相沉积的核心反应是SiCl4 和GeCl4 在
氢、氧火焰环境下, 水解生成SiO2 和GeO2 粉尘
( SOOT) 。其中SiCl4、GeCl4 需要加热, 用蒸气或
氩气携带的方式送入反应室。常用的其它特气还有
CH4、CF4、Cl2、SF6 等。
6 特气使用安全
首先, 应对特气的危害性进行分析, 通过本质
安全设计, 消除安全隐患。根据行业规范, 对特气
房选址、安全间距、防火分区、房间通风、电气防
爆等进行评估。管道设计应进行保压和氦测漏, 确
保系统密闭性。钢瓶和管道阀门应选用隔膜或波纹
管密封阀门。管道系统应采用焊接系统, 机械接头
均应置于抽风罩内。排放气体应进行安全处理。气
体输送设备具有紧急切断功能。操作应遵循标准操
作规程。
其次, 采用监测手段, 预防事故发生。设置气
体泄漏侦测器, 监控气体泄漏。可燃性气体应设置
高温或火焰侦测器。危险气体应设置过流开关。气
柜应进行负压监测, 防止抽风系统的失效。侦测系
统应与报警和紧急切断连锁。系统还应进行远程监
控。监控系统应设置不间断电源。
最后, 采用减灾措施, 降低事故后果。设置消
防喷淋系统, 对气体钢瓶进行冷却降温。设置远程
紧急切断按钮。抽风系统应考虑事故排风, 且在不
同的危险和防火分区之间设置风阀。建筑设计应充
分考虑泄爆面积、防火墙、紧急出口、消防通道
等。建立应急反应系统, 并定期演练, 最大限度减
轻人员伤亡、财产损失和环境破坏。
参考文献:
[ 1 ] [美] OU IRKMichael, SERDA Julian. 半导体制造技术
[M ]. 韩郑生, 等, 译. 北京: 电子工业出版社,
2004.
[ 2 ] 汪光裕, 凌安海. 太阳能电池制作原理和实际应用
[M ]. 海口: 三环出版社, 2008.
[ 3 ] 陈炳炎. 光纤光缆的设计和制造[M ]. 杭州: 浙江大
学出版社, 2003.
作者简介:
李东升(19682) ,男,汉族,河南人,高级工程师。
4                  低温与特气                 第27卷
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
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