随着全球对高性能芯片、高分辨率显示设备以及光电元件的需求持续攀升,电子制造业已成为现代工业体系中技术最密集、质量要求最高的核心领域之一。在这背后,特种气体作为“第四类电子材料”,与光刻胶、硅片、溅射靶材等并列,被誉为“电子制造的化学血液”。
本文将深入分析特种气体在半导体、显示面板、光电器件等电子行业重点领域中的核心应用,特别聚焦在刻蚀、清洗、掺杂等关键工艺环节,剖析不同气体的功能、选型依据及行业趋势。
电子行业对特气的依赖程度远超传统工业领域,主要体现在:
工艺复杂、精度要求极高:工艺尺寸以纳米计,任何微小杂质都可能造成缺陷;
材料多样、反应敏感:涉及金属、氧化物、氮化物、有机材料等,需要多种气体参与反应或控制环境;
工艺链长,制程环节众多:一块芯片的制造要经历数百道工序,几乎每个环节都涉及气体;
气体作用多样化:既用于反应(如刻蚀)、又用于保护(如惰性气)、还用于掺杂(如PH₃、B₂H₆)或清洗设备。
因此,电子特种气体不仅是辅助材料,更是决定产品良率和性能的重要工艺资源。
刻蚀是半导体制造中用以形成电路图形、导通孔、栅结构等微纳结构的关键步骤。通过在特定区域去除材料,实现芯片内部复杂电路结构的精确构建。
气体名称 | 化学式 | 主要作用 |
---|---|---|
六氟化硫 | SF₆ | 用于硅材料各向异性刻蚀,反应性高,副产物易挥发 |
四氟化碳 | CF₄ | 对SiO₂刻蚀效率高,适用于介电层图形形成 |
三氟化氮 | NF₃ | 等离子体清洗、反应腔室去残留刻蚀物质 |
氯气 | Cl₂ | 对金属(如铝、钛)刻蚀性能优异 |
氟气 | F₂ | 用于深硅刻蚀或聚合物刻蚀清除 |
工艺特点:
等离子体激发气体分子 → 形成自由基或离子 → 与材料反应 → 挥发产物被抽走;
通过气体种类、流量、压力等调节刻蚀选择性和速率;
对气体纯度要求极高(通常≥99.999%),杂质可能引入刻蚀缺陷。
清洗工艺贯穿整个芯片制造流程,目的是在每一道刻蚀、沉积、离子注入等步骤后,去除表面有机物、金属离子、颗粒污染和自然氧化层。
气体 | 用途 |
---|---|
氢气(H₂)+ 氮气(N₂) | 热还原清洗,常用于RCA清洗工艺或表面去氧 |
臭氧(O₃) | 强氧化剂,用于有机物分解、光刻胶去除 |
氨气(NH₃) | 与过氧化氢组合清洗金属离子污染(如SC-1工艺) |
氩气(Ar) | 等离子体冲击清洗,去除微小颗粒或钝化膜 |
要求高流量、稳定输出;
涉及气体与液体联用(如湿法清洗中的气液混合);
气体系统需具备泄漏检测、安全防爆控制。
掺杂是向硅片中导入N型或P型杂质原子,形成二极管、晶体管等核心器件的关键步骤。通常采用离子注入或气相扩散方式。
气体 | 掺杂类型 | 特点 |
---|---|---|
磷烷(PH₃) | N型掺杂 | 毒性高、需极精密控制浓度 |
硼烷(B₂H₆) | P型掺杂 | 活性高,应用广泛于CMOS工艺 |
砷烷(AsH₃) | N型掺杂 | 掺杂深度可控,适用于高速器件 |
氯化氢(HCl) | 掺杂辅助清洗 | 清除杂质、提升掺杂均匀性 |
三、显示面板行业:高精图形的气体保障系统
从LCD、OLED到新兴的Micro-LED显示技术,对气体控制环境和薄膜质量的要求越来越高,特种气体在图形形成、封装、保护等工序中均有重要作用。
工艺 | 气体 | 用途说明 |
---|---|---|
ITO刻蚀 | Cl₂、CF₄ | 对透明导电膜刻蚀,形成电极图形 |
封装气氛 | 高纯N₂、He | 排除水分氧气,防止OLED降解、延长寿命 |
阻隔膜沉积 | SiH₄、NH₃ | CVD沉积薄膜,阻隔水汽进入显示层 |
激光修复保护气 | N₂、Ar | 保持局部区域热稳定,避免氧化损伤 |
四、光电器件:高精光学结构背后的气体技术
光电器件(如红外传感器、激光器、图像传感器)通常具有小尺寸、多层叠结构、光学活性强等特点,对特气系统要求同样严苛。
薄膜沉积:SiH₄、GeH₄、N₂O、NH₃;
结构刻蚀:CF₄、Cl₂、CHF₃;
光电封装:He(热传导性好)、N₂(惰性保护);
气体保护性退火:H₂/N₂混合气;
电子级特气由于纯度极高、毒性或反应性强,其供气系统设计和运行标准远高于一般工业领域:
✅ 供气柜系统:配备双瓶切换、压力调节、安全阀;
✅ 气体分配管线:采用不锈钢EP级抛光管,VCR密封;
✅ 尾气处理系统:对有毒气体(如PH₃、AsH₃)需等离子或碱洗处理;
✅ 实时监控系统:流量、纯度、压力、泄漏报警等一体化集成。
随着全球供应链安全、碳中和目标和国产替代战略的推进,电子行业特气正呈现以下趋势:
✅ 高端气体国产化突破加速:如硅烷、三氟化氮、砷烷等正逐步实现稳定量产;
✅ 绿色环保型替代气体推广:如用NF₃替代PFC类温室气体;
✅ 电子气体供应一体化服务需求增长:客户更倾向选择具备现场供气、远程监控、配套服务能力的供应商。
在芯片不到头发丝十分之一的工艺尺寸下,任何一个原子级的差错都可能造成失效。而特种气体,正是在看不见的反应腔、沉积层、清洗槽中,默默支撑着每一次结构形成、每一个功能实现。
从逻辑芯片到柔性屏幕,从车载摄像头到5G天线,特种气体不仅仅是“气体”,它是一种高度定制的工艺材料解决方案。
未来,随着制程节点的不断演进与先进封装技术的突破,特气将持续成为电子行业创新背后的重要驱动力。
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