半导体生产常用气体有哪些？各自有什么用途？

半导体芯片需要经过薄膜沉积、光刻、蚀刻、离子注入、清洗、氧化、退火和封装等多道工序。在这些工艺中，气体不仅用于维持设备运行，还可能直接参与材料反应和器件结构形成。

根据用途，半导体生产用气通常可以分为两大类：一类是高纯氮气、氩气、氢气、氧气和氦气等高纯大宗气体；另一类是用于沉积、蚀刻、掺杂和设备清洗的电子特种气体。

不同工厂、产品类型和工艺路线的用气配置差异较大。例如，晶圆制造厂、先进封装厂、半导体设备厂以及碳化硅、氮化镓材料企业，对气体种类和质量指标的要求并不完全相同。

半导体生产常用气体可以分为哪几类？

高纯氮气在半导体生产中有什么用途？

高纯氮气是半导体工厂使用范围较广、整体消耗量较大的气体之一。它化学性质相对稳定，可以帮助建立低氧、低水分的洁净环境。

1. 用于设备和管路吹扫

半导体设备腔体、工艺管路和气体输送系统在安装、维护或更换气源后，可能残留空气、水分或其他污染物。高纯氮气可以用于吹扫和置换，降低杂质进入工艺设备的风险。

2. 用于惰性保护

部分晶圆、电子化学品、原材料和工艺设备需要减少与空气接触。氮气可用于容器覆盖、设备保护和材料输送，降低氧化、吸湿及其他非预期反应。

3. 用于晶圆和设备干燥

晶圆完成湿法清洗后，需要减少表面水分残留。经过净化和过滤的氮气可以用于吹干晶圆、设备腔体和部分管路。

4. 用于热处理气氛

在部分退火、烧结及封装热处理工艺中，氮气可作为保护气体，帮助控制材料表面状态并减少氧化。

5. 用于电子化学品储存和输送

某些高纯化学品可通过氮气加压、覆盖或辅助输送。此时，氮气中的水分、氧和颗粒物需要得到严格控制，以免影响化学品洁净度。

高纯氩气在半导体生产中有什么用途？

氩气属于惰性气体，常用于等离子体形成、物理气相沉积、溅射、蚀刻和部分热处理工艺。

1. 用于溅射和物理气相沉积

在溅射工艺中，氩气被电离后形成等离子体，氩离子轰击靶材，使靶材原子脱离并沉积在晶圆表面，从而形成金属层或其他功能薄膜。

氩气中的氧、水分和颗粒物可能影响薄膜成分、均匀性、附着力和电学性能，因此需要根据工艺要求控制气体质量。

2. 用于等离子体蚀刻

在部分蚀刻配方中，氩气可用于形成稳定等离子体、增强物理轰击作用，或与其他反应性气体共同调节蚀刻速率和轮廓。

3. 用于惰性气氛和材料处理

对氧或氮敏感的材料在生长、沉积和热处理过程中，可能使用高纯氩气提供惰性环境。

4. 用于第三代半导体材料生产

在部分碳化硅晶体生长、材料热处理和研发设备中，氩气可作为保护气、环境气体或工艺辅助气体。

高纯氢气在半导体生产中有什么用途？

氢气具有还原性，常用于表面处理、退火、外延生长和部分化学气相沉积工艺。

1. 用于还原和表面处理

氢气可以帮助降低材料表面的氧化状态，去除部分表面氧化物或改善后续沉积前的界面条件。

2. 用于退火工艺

高纯氢气或氮氢混合气可用于部分退火和热处理工艺，帮助改善材料界面、降低缺陷或调整器件电学性能。

3. 用于外延生长

在部分硅、碳化硅及其他半导体材料的外延工艺中，氢气可作为载气、稀释气或反应环境组成部分。

4. 用于化学气相沉积

在某些化学气相沉积工艺中，氢气可以参与反应、输送前驱体或帮助调节薄膜形成过程。

氢气具有易燃性，其供应和使用系统通常需要配置泄漏检测、通风、联锁和适当的安全防护设施。

高纯氧气在半导体生产中有什么用途？

高纯氧气主要作为反应气体，用于氧化、薄膜沉积、等离子体处理和有机材料去除。

1. 用于热氧化

在部分晶圆工艺中，氧气可与硅表面反应，形成氧化硅薄膜。氧化层可以用于绝缘、保护或构建器件功能结构。

2. 用于氧化物薄膜沉积

在化学气相沉积、等离子体增强沉积或原子层沉积等工艺中，氧气可以作为氧化剂，参与形成特定氧化物薄膜。

3. 用于光刻胶去除

氧等离子体可以用于去除光刻胶及部分有机残留物，也可用于晶圆表面活化和清洁处理。

4. 用于设备腔体处理

部分工艺设备会使用氧气清除腔体内的有机沉积物。具体使用方式应根据设备设计和工艺规范确定。

氦气在半导体生产中有什么用途？

氦气化学性质稳定、原子尺寸较小，并具有较好的导热性能，常用于检漏、晶圆温度控制和部分分析设备。

1. 用于氦质谱检漏

高纯气体管路、真空腔体、阀门和设备接头需要保持较高密封性。氦气容易被检漏仪识别，因此常用于发现系统中的微小泄漏点。

2. 用于晶圆背面冷却

在部分等离子体蚀刻和沉积设备中，氦气可导入晶圆背面，帮助晶圆与静电吸盘之间传递热量，从而控制晶圆温度和工艺均匀性。

3. 用于实验室分析和研发设备

半导体材料分析、设备研发及质量检测过程中，部分气相色谱、质谱和特殊测试设备也可能使用高纯氦气。

硅烷在半导体生产中有什么用途？

硅烷是一类常见的含硅电子特气，主要用于化学气相沉积工艺，为薄膜提供硅元素。

硅烷可用于形成：

• 非晶硅薄膜；

• 多晶硅薄膜；

• 氧化硅薄膜；

• 氮化硅薄膜；

• 其他含硅功能材料。

硅烷具有易燃等危险特性，通常需要通过专用气瓶、气柜、自动切换系统和安全联锁装置进行供应。

氨气在半导体生产中有什么用途？

高纯氨气主要用于形成含氮薄膜，也可用于氮化物半导体材料的生长。

1. 用于氮化硅薄膜沉积

氨气可以与含硅前驱体共同反应，形成氮化硅薄膜。这类薄膜可用于绝缘、钝化、阻挡或其他功能结构。

2. 用于氮化镓材料生长

在部分氮化镓外延工艺中，氨气可以作为氮源，参与形成氮化镓及相关化合物半导体材料。

氨气的水分、氧和其他杂质可能影响薄膜和外延材料质量，因此电子级氨气通常需要严格控制关键杂质。

笑气在半导体生产中有什么用途？

笑气即一氧化二氮，常作为含氧反应气体，用于部分氧化硅、氮氧化硅及其他薄膜沉积工艺。

在等离子体增强化学气相沉积等应用中，笑气可与硅烷或其他前驱体共同使用，帮助形成特定成分和性能的薄膜。

实际工艺对笑气纯度、水分、氧及其他痕量杂质的要求，应根据设备和薄膜性能目标确定。

半导体蚀刻常用哪些气体？

干法蚀刻通过等离子体和反应性气体，选择性去除晶圆表面的指定材料。不同被蚀刻材料需要使用不同气体体系。

常见蚀刻气体类型包括：

• 用于硅和氧化物蚀刻的含氟气体；

• 用于金属或化合物材料蚀刻的含氯气体；

• 用于调节等离子体和物理轰击作用的氩气；

• 用于控制侧壁形貌和选择性的定制混合气。

例如，四氟化碳、三氟甲烷、六氟化硫、氯气和三氯化硼等气体，可用于不同材料和设备中的蚀刻工艺。

蚀刻气体配方需要根据材料类型、设备结构、目标尺寸和选择性要求进行开发，不能仅根据气体名称直接替换。

半导体掺杂常用哪些气体？

掺杂的目的是向半导体材料中引入少量特定元素，以调节材料的导电类型和电学性能。

常见掺杂气体包括：

• 含磷掺杂气体；

• 含硼掺杂气体；

• 含砷掺杂气体；

• 根据工艺要求配制的低浓度电子混合气。

磷烷、乙硼烷、砷烷等气体通常以一定浓度稀释在氢气、氮气、氦气或其他平衡气中使用。

掺杂浓度会影响半导体材料的电性能，因此混合气的浓度准确性、均匀性、稳定性和批次一致性十分重要。

三氟化氮在半导体生产中有什么用途？

三氟化氮常用于部分化学气相沉积设备的腔体清洗。

薄膜沉积过程中，设备腔体内壁可能逐渐积累含硅或其他材料的沉积物。通过等离子体将三氟化氮分解后，可以生成具有反应活性的含氟物种，帮助去除腔体内的残留薄膜。

定期清洗有助于保持设备腔体状态稳定，减少颗粒物和交叉污染，并维持沉积工艺的重复性。

半导体设备调试和质量检测需要哪些气体？

除直接参与晶圆生产的工艺气体外，半导体设备安装、调试、维护和检测也会使用多种气体。

先进封装常用哪些气体？

先进封装虽然与晶圆前道制造的工艺不同，但同样需要高纯气体支持清洗、键合、薄膜沉积、等离子体处理、回流焊和热处理。

常见应用包括：

• 使用高纯氮气提供低氧焊接和回流环境；

• 使用氩气支持溅射和等离子体处理；

• 使用氮气、氩气或氢气参与热处理和保护；

• 使用特定工艺气体进行表面清洗、活化和薄膜沉积；

• 使用氦气进行设备检漏或温度控制。

随着晶圆级封装、2.5D、3D封装和高密度互连技术的发展，封装过程对颗粒、氧化、表面洁净度和材料一致性的要求也在提高。

不同气体在半导体工艺中分别起什么作用？

气体质量会对半导体生产造成哪些影响？

1. 影响薄膜成分和厚度

沉积气体的浓度、纯度和流量变化，可能改变反应速率、薄膜厚度、化学组成和均匀性。

2. 影响蚀刻速率和形貌

蚀刻气体浓度或杂质发生变化，可能影响蚀刻速率、选择性、侧壁形貌和图形尺寸。

3. 影响器件电性能

金属、水分、氧及其他非预期杂质可能进入薄膜或界面，造成漏电、电阻变化、介质性能下降或器件可靠性问题。

4. 增加晶圆表面缺陷

气体、气瓶和输送管路中的颗粒物可能被带入工艺腔体，在晶圆表面形成缺陷点，影响局部图形和芯片良率。

5. 影响工艺重复性

气体批次、压力、流量或浓度不稳定，可能造成不同批次晶圆之间的工艺结果出现差异。

6. 影响生产连续性

关键气体短缺或供气中断，可能导致设备停机、在制晶圆受损和工艺恢复时间延长。因此，供应稳定性也是半导体气体的重要质量指标。

选择半导体生产用气时应关注哪些指标？

选择半导体气体时，不建议只比较“4N、5N、6N”等总纯度数字，还应结合具体工艺评估以下内容：

• 总纯度是否满足设备和工艺要求；

• 水分、氧、烃类和永久气体杂质是否受到控制；

• 颗粒物和金属杂质水平是否符合要求；

• 混合气的浓度、配制偏差和稳定性是否合适；

• 不同生产批次之间是否具有良好一致性；

• 气瓶内壁、阀门和密封材料是否与气体兼容；

• 质量证明和分析数据是否完整；

• 气体压力、流量和供应能力是否满足设备需求；

• 是否具备备用气源、自动切换和持续供应能力。

对半导体生产而言，真正到达设备端的气体质量，取决于气源、包装、阀门、气柜、过滤器和高纯管路等多个环节。

半导体用气可以用普通工业气体替代吗？

一般不能直接替代。

普通工业气体通常用于焊接、切割、一般保护和生产工艺，对痕量水分、氧、烃类、颗粒物、金属杂质及批次一致性的控制要求，未必能够满足半导体制造需求。

即使气体名称相同，例如同样是氮气或氩气，其产品纯度、关键杂质、包装处理、分析能力和质量控制方式也可能存在明显差异。

是否适用，应以具体设备要求、工艺规范和验证结果为准，不能只根据气体名称判断。

常见问题 FAQ

不同半导体工艺需要匹配不同气体

半导体生产使用的气体种类较多。高纯氮气主要用于吹扫、保护和干燥；氩气常用于溅射和等离子体工艺；氢气用于还原、退火和外延；氧气用于氧化、沉积和有机物去除；氦气则用于检漏和晶圆温度控制。

硅烷、氨气、笑气、蚀刻气体、掺杂气体和腔体清洗气体，会直接参与薄膜形成、材料去除、性能调节和设备维护等关键工艺。

对半导体企业而言，选择气体时不仅要确认气体种类和纯度，还应综合评估关键杂质、浓度准确性、包装洁净度、批次一致性、供气系统和供应连续性。只有气源和输送系统共同受控，才能帮助生产线获得稳定、可重复的工艺结果。