半导体制造中的化学品简介

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半导体制造业使用大量的化学品来制造硅圆片。另外化学品也被用于清洗硅圆片和处理在制造工艺中使用的工具。在硅圆片制造中使用的化学材料被称为工艺用化学品，它们有不同种类的化学形态并且要严格控制纯度。为了理解工艺化学品,我们先复习一下基础化学里面的一些概念。

宇宙中的所有物质都存在三种基本形态：固态、液态或气态。另外还有第四种形态:等离子体。

固体有其自己固定的形状，不会随着容器的形状而改变。液体随着容器的形状而改变自己的形状。液体会填充容器的相当于液体体积大小的区域，并会形成表面。气体也随着容器的形状而改变自己的形状，但气体会充满整个容器，不会形成表面。气体微粒小且能够自由移动。一些气体像氢气和氧气，是活性气体，很容易与其他气体或元素反应形成稳定的化合物。而另外一些气体像氦气和氩气，是惰性气体。很难形成化合物。由于惰性气体不与其他化学材料反应，所以被广泛用于半导体制造业中。当有高能电离的分子或原子的聚集体存在时就会出现等离子体。这种形态与前三种物质形态有相当大的不同。举例来说，恒星、荧光灯和霓虹灯都是等离子体。将一定的气体曝露在高能电场中，就能诱发等离子态。我们在随后的章节中将会看到等离子体被广泛用于半导体制造业中。

材料属性有两类，化学属性和物理属性。材料的物理属性是指那些通过物质本身而不需要与其他物质相互作用反映出来的性质。物理属性有：熔点、沸点、电阻率和密度等。材料的化学属性是指那些通过与其他物质相互作用或相互转变而反映出来的性质。化学属性有：可燃性、反应性和腐蚀性。

2.1 半导体制造中的化学属性

在制造硅集成电路芯片中有许多不同种类的化学品和化学材料。化学品的一些属性对于理解新的半导体工艺材料的存在有很重要的意义，这些属性有:温度、密度、压强和真空、表面张力、冷凝、热膨胀、蒸气压、应力、升华和凝华。

一．温度 温度是比较一个物质相对于另外一个物质是冷还是热的量度标准，因此它也是物质分子或原子平均动能或热能的量度标准。不同温度的物体之间传递的能量叫热。硅圆片制造中大量需要处理在高温下的情况，比如需要加热来影响化学反应或者对硅单晶结构退火使原子重新排列。

二．密度 物质的密度被定义为它的质量（或重量）除以它的体积。硅的密度是2.3。

三．气体的压强和真空 气体充满容器的体积并且施加相同的压强于容器的器壁上，压强为施加在表面单位面积上的压力。压强是在半导体制造中被广泛使用的属性。如果容器内的气体压强小于14.7psi，则存在真空。真空通过抽出密闭容器中的气体分子来获得低于大气压的压强。在半导体制造中，一些制造工艺在大气压下进行，一些需要很高的压强而另外一些需要在真空环境中进行。

四．表面张力 当一滴液体在一个平面上，液滴存在着一个接触表面积（见图3.1）液滴的表面张力是增加接触表面积所需的能量。随着表面积的增加，液体分子必须打破分子间的引力，从液体内部运动到液体的表面，因此需要能量。表面张力的概念用在半导体制造中来衡量液体均匀涂在硅圆片表面的粘附能力。

五．冷凝和汽化 气体变成液体的过程被称做冷凝，从液体变成气体的相反过程叫汽化。

六．热膨胀 当一个物体被加热时，由于原子的振动加剧，它的体积就会发生膨胀。衡量材料热膨胀大小的参数是热膨胀系数（CTE）。非晶材料的热膨胀是各向同性的，而所有晶体材料，比如单晶硅，热膨胀是各向异性的。

七．蒸气压 蒸气压是在密闭容器中气体分子施加的压力，这时汽化和冷凝的速率处于动态平衡。

八．应力 当一个物体受到外力的作用时就会产生应力。在硅圆片中有多种原因可以导致应力的产生。硅片表面的物理损伤；位错、多余的空隙和杂质产生的应力；外界材料生长都可以产生应力。如果两个热膨胀系数（CTE）相差很大的物体结合在一起，然后加热，由于两种材料以不同的速率膨胀导致它们彼此推拉，因而产生应力。由于CTE不匹配产生的应力会使硅片弯曲。在半导体制造工艺中由于微芯片采用多层不同的CTE材料的平面工艺，所以非常关心这种应力。

九．升华和凝华 固体通过升华过程能够直接变成气体，气体直接变成固体的过程叫凝华。

半导体制造业是与化学密切相关的工艺过程，其中使用了多种超高纯度的工艺用化学品。化学品在半导体制造业中的主要用途有：

● 用湿法化学溶液和超纯净的水清洗或准备硅片表面。

● 用高能离子对硅片进行掺杂得到p型和n型硅材料。

● 淀积不同的金属导体层以及导体层之间必要的介质层。

● 生长薄的二氧化硅层作为MOS器件主要的栅极介质材料。

● 用等离子体增强刻蚀或湿法试剂有选择地去除材料并在薄膜上形成所需要的图形。

一． 酸

在半导体制造过程中使用了多种酸。表3.1列出了一些常用的酸及其在硅片加工中的特定用途。

二． 碱

表3.2列出了在半导体制造过程中通常会使用的碱性物质。

三． 溶剂

表3.3列出了硅片厂常用的溶剂。

去离子水是在半导体制造过程中广泛使用的溶剂，在它里面没有任何导电的离子。去离子水的pH值为7，既不是酸性也不是碱性，是中性的。它能够溶解其他物质，包括许多离子化合物和共价化合物。

四．化学品的输送

在半导体工业中使用的化学品有很多是有毒性并且危险的化学品安全、高纯度和不间断地从存储罐中输送到工艺工具是至关重要的。对于液态化学品来说，这种输送过程是通过批量化学材料配送（BCD）系统完成的。

BCD系统是由化学品源（如一个存储罐）、化学品输送模块和管道系统所组成的（见图3.2）。BCD系统的存储罐常常建造在主要生产线的地下，输送模块用来过滤、混合和输送化学品，然后通过管道系统将化学药输送到独立的工艺线。现代的BCD系统是一个集成了计算机和网络化的系统，它能够对化学品的输送进行实时监控。

怎样来存储和输送工艺用化学品取决于这些因素：化学品的兼容性、减少化学品的沾污和安全性。在半导体制造过程中对化学品纯度的要求是超高纯净（UHP），对杂质的控制是要低于十亿分之一（ppb）到万亿分之一（ppt）的范围之内。

并不是所有的化学品都这样来输送的，一些化学品并不适合由BCD系统来输送，它们或者是使用的数量很少或者是在使用前存放的时间长度有限。为了使这些化学品能够在工艺站点存储和使用，将用特别的包装系统便于它们定点输送。

五．气体

半导体制造过程中大概使用了50余种不同种类的气体。由于不断有新的材料被引入到半导体制造过程中，所以气体的种类和数量是不断发生变化的。气体通常被分成两类：通用气体和特种气体。

所有气体都要求有极高的纯度，通用气体要控制在7个9以上的纯度（99.99999%）, 特种气体则要控制在4个9以上的纯度（99.99%）。气体中的杂质微粒要控制在0.1µm之内，其他需要控制的沾污是氧、水分和痕量杂质，例如金属。许多工艺气体都具有毒性、腐蚀性、活性和自燃（暴露在空气中燃烧）。因此，在硅片厂气体是通过气体配送系统（BGD）以安全、清洁和精确的方式输送到不同工艺站点的。见图3.3。

表3.4和表3.5分别列出了在半导体制造过程中用到的一些通用气体和特种气体以及它们的用途。

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