半導體制造中化學品(自學為主)

半導體制造中化學品(自學為主)第一頁，共51頁。學習目標：1.物質的四種形態(tài)2.半導體制造有關的重要化學性質3.半導體工藝化學品的分類和使用4.如何在芯片制造中使用酸、堿和溶劑5.通用氣體和特種氣體，氣體在晶片制造中的運送和使用第二頁，共51頁。半導體制造業(yè)中使用大量的化學品來制造硅片。另外化學品還被用于清洗硅片和處理在制造工藝中使用的工具。在硅圓片制造中使用的化學材料被稱為工藝用化學品。它們有不同的形態(tài)并且要嚴格控制純度。第三頁，共51頁。物質形態(tài)固態(tài)液態(tài)氣態(tài)等離子態(tài)第四頁，共51頁。固體在常溫常壓下保持一定的形狀和體積。液體有一定的體積但形狀是變化的。一升水會與其容器形狀一致。氣體既無一定形狀又無一定體積。它也會跟其容器形狀一致，但跟液體不同之處是，它可擴展或壓縮直至完全充滿容器。注：特定物質的狀態(tài)與其壓力和溫度有關。溫度是對材料中包含的所有能量的一種衡量。第五頁，共51頁。等離子體是電離原子或分子的高能集合，在工藝氣體上施加高能射頻場可以誘發(fā)等離子體。它可用于半導體技術中促使氣體混合物化學反應。第六頁，共51頁。材料的屬性物理屬性：熔點、沸點、電阻率和密度等化學屬性：可燃性、反應性和腐蝕性第七頁，共51頁。半導體制造中的化學名詞溫度密度壓強和真空表面張力冷凝熱膨脹蒸汽壓應力升華和凝華第八頁，共51頁。

不管是在氧化管中還是在等離子刻蝕反應室內，化學品的溫度都對其化學品的反應發(fā)揮著重要影響，而且一些化學品的安全使用也需要了解和控制化學品的溫度。有三種溫度表示法：華氏溫標、攝氏溫標和開氏溫標。溫度第九頁，共51頁。第十頁，共51頁。華氏溫標(F)是由德國物理學家GabrielFahrenheit用鹽和水溶液開發(fā)的。他把鹽溶液的冰點溫度定為華氏零度。一般地，純水的冰點溫度更有用，在華氏溫標中水的冰點溫度為32F，沸點溫度為212F，兩點之間相差180F。攝氏溫標(C)在科學研究中更為常用，將純水冰點設為0C，沸點設為100C開氏溫標(K)。它和攝氏溫標用一樣的尺度，只不過是基于絕對零度。絕對零度就是所有原子停止運動的理論溫度，該值為-273C。第十一頁，共51頁。氣體的壓強和真空壓強定義為：施加在容器表面上單位面積的力。所有的工藝機器都用氣壓表來測量和控制氣壓。氣壓的大小用英磅每平方英寸(psia)來表示。第十二頁，共51頁。氣體的壓強和真空真空是在半導體工藝中要遇到的術語，它實際上是低壓的情況。一般來說，壓力低于標準大氣壓（14.7psia

）就認為是真空。第十三頁，共51頁。第十四頁，共51頁。冷凝和氣化冷凝：氣體變成液體的過程氣化：從液體變成氣體的過程第十五頁，共51頁。蒸氣壓蒸氣壓是密閉容器中氣體處于平衡狀態(tài)時產生的壓力。高蒸氣壓材料是易揮發(fā)的，容易變成氣體，如香水等。第十六頁，共51頁。升華和凝華升華：固體直接變成氣體的過程凝華：氣體直接變成固體的過程第十七頁，共51頁。密度密度=質量/體積（g/cm^3)

標準溫度和大氣壓下一些常見材料的密度：第十八頁，共51頁。表面張力液滴的表面張力是增加接觸表面積所需的能量。在半導體制造中用來衡量液體均勻涂在硅圓片表面的粘附能力。低表面張力高表面張力第十九頁，共51頁。熱膨脹熱膨脹是物體因受熱而產生的物理尺寸的增大，用熱膨脹系數(shù)（或CTE）衡量。非晶的熱膨脹是各向同性的，單晶的熱膨脹是各向異性的。第二十頁，共51頁。應力物體受到外力作用的時候就會產生應力。應力的大小取決于外力的大小和外力作用的面積。硅片制造過程中多種原因會可以導致應力的產生，如硅表面的物理損傷；位錯和雜質和外界材料生長等。第二十一頁，共51頁。應力淀積膜通常會產生兩種應力：拉伸應力和壓縮應力，應力的性質取決于工藝條件。Substrate(a)LowCTEmaterialHighCTEmaterialCTEofdepositedmaterialequalsCTEofsubstrateDepositedfilm(b)(c)壓縮應力拉伸應力HighCTEmaterialLowCTEmaterial第二十二頁，共51頁。工藝用化學品液態(tài)固態(tài)氣態(tài)第二十三頁，共51頁?；瘜W品在半導體制造中的主要用途濕法化學溶液和超純凈水清洗或準備硅片表面用高能離子對硅片進行摻雜得到p型和n型硅淀積不同的金屬導體層及導體層之間必要的介質層生長薄的二氧化硅作為MOS旗艦主要的柵極介質材料用等離子體或濕法試劑做刻蝕，有選擇地去除材料并在薄膜上形成所需要的圖形第二十四頁，共51頁。液體溶液溶劑溶質第二十五頁，共51頁。酸：一種包含氫并且氫在水中裂解形成水合氫離子的溶液堿：含OH根的化合物，可以水解生產氫氧根離子溶劑：能夠溶解其它物質形成溶液的物質第二十六頁，共51頁。半導體制造過程中常用的酸第二十七頁，共51頁。氫氟酸的性質與作用氫氟酸是氟化氫的水溶液，它是一種無色透明的液體，蒸汽有刺激臭味、劇毒，與皮膚接觸時會發(fā)生嚴重的難以治愈的燒傷。濃的氫氟酸含氟化氫48％。含氟化氫35％的氫氟酸的比重是1.14，沸點是112℃。在化學清洗和腐蝕工藝中，主要利用氫氟酸能溶解二氧化硅（SiO2）這一特性來腐蝕玻璃、石英和硅片表面上的二氧化硅層。第二十八頁，共51頁。鹽酸（HCl）鹽酸是氯化氫氣體溶解于水而制得的一種無色透明有刺激性氣味的液體，一般鹽酸因含有雜質而呈淡黃色。濃度36%~38%，比重1.19的鹽酸為濃鹽酸，濃鹽酸具有強酸性、強腐蝕性和易揮發(fā)性。第二十九頁，共51頁。硫酸

硫酸是無色無嗅的油狀液體。濃度95%~98%，比重1.838的硫酸為濃硫酸，濃硫酸具有強氧化性、強酸性、吸水脫水性、強腐蝕性和高沸點難揮發(fā)性等。硫酸具有強酸性，和鹽酸一樣能與活潑金屬、金屬氧化物及氫氧化物等作用，生成硫酸鹽。第三十頁，共51頁。硝酸純硝酸是一種無色透明的液體，易揮發(fā)，有刺激性氣味。硝酸見光受熱很容易分解。溫度越高或酸的濃度越大，則分解越快。市售濃硝酸質量百分比為69.2%，比重為1.41。96%~98%的硝酸因含有過量二氧化氮而呈棕黃色，稱為發(fā)煙硝酸。硝酸具有強氧化性、強酸性和強腐蝕性。第三十一頁，共51頁。王水濃硝酸和濃鹽酸按1:3的體積比混合，即可配成王水。其反應式如下：

HNO3+HClH2O+Cl+NOCl

王水中不僅含有硝酸、鹽酸等強酸，而且還有初生態(tài)（Cl）和氯化亞硝酰NOCl(具強腐蝕性，有毒，對眼部、皮膚和肺部有刺激性。)等強氧化劑。氯化亞硝酰是一種沸點較低的液體，受熱即分解為一氧化氮和原子氯。王水不但能溶解較活潑金屬和氧化物，而且還能溶解不活潑的金、鉑等幾乎所有的金屬。第三十二頁，共51頁。半導體制造過程中常用的堿第三十三頁，共51頁。過氧化氫的氧化作用過氧化氫（H2O2）俗稱雙氧水，能與水按任何比例混合。雙氧水（H–O–O–H）很不穩(wěn)定，容易分解。在普通條件下將慢慢分解成水和氧氣。

H2O22H2O+O2↑

它既可作為氧化劑也可作為還原劑。在半導體器件生產中主要是利用過氧化氫在酸性和堿性溶液中具有強氧化性來清除有機和無機雜質。第三十四頁，共51頁。通常在家中就可找到酸和堿：檸檬汁和醋是酸，氨水和溶于水的蘇打是堿。酸和堿的強度和反應用pH值來衡量。該值從0到14，7為中性點。水既不是酸又不是堿，所以其pH值為7。溶劑是不帶電的，pH值為中性。水就是溶劑，實際上它溶解其他物質的能力最強。在晶圓工藝中也經常應用酒精和丙酮。第三十五頁，共51頁。不同化學物質的PH值pH常用化學品1汽車蓄電池使用的酸(硫酸)23檸檬汁、醋4蘇打、葡萄酒5蕃茄汁、啤酒6尿7自來水、牛奶、唾液8血液、唾液9鎂乳10清潔劑11家用氨水1213家用污垢清潔劑14鎳鎘電池(NaOH)腐蝕性腐蝕性第三十六頁，共51頁。半導體制造過程中常用的溶劑第三十七頁，共51頁。酸堿等化學藥品使用須知

（實驗室）所有化學藥品之作業(yè)均須在通風良好或排氣之處為之。稀釋酸液時，千萬記得加酸于水，絕不可加水于酸。酸類可與堿類共同存于有抽風設備的儲柜中，但絕不可與有機溶劑存放在一起。在完成操作后，將未用完的酸瓶放入通風柜下，將廢瓶標簽朝外擺在操作臺上，若沾有酸跡或污漬，用濕抹布打掃干凈，關電爐。用完的濕抹布用清水沖洗干凈并放回原處。HF酸屬弱酸，但具有強的鈣質腐蝕性和刺激性氣味，為最危險的化學藥品之一，使用時需要戴橡膠手套，在通風柜下操作。第三十八頁，共51頁。酸堿等化學藥品使用須知

（實驗室）2廢液處理：廢液分酸、堿、氫氟酸、有機等，分開處理并登記，回收桶標示清楚，廢酸請放入廢酸桶，不可任意傾倒，更不可與有機溶液混合。廢棄有機溶液置放入有機廢液桶內，不可任意傾倒或倒入廢酸桶內。使用后的廢HF倒回收回瓶，切記用黑色筆做明顯標記“廢HF”，以免傷及其他人，或造成誤用影響工作。廢液桶內含氫氟酸等酸堿，絕對不可用手觸碰。勿嘗任何化學藥品或以嗅覺來確定容器內之藥品。不明容器內為何種藥品時，切勿搖動或倒置該容器。漏水或漏酸處理：為確保安全，絕對不可用手觸碰，先將電源總開關與相關閥門關閉，再以無塵布或酸堿吸附器處理之，并報備管理人。第三十九頁，共51頁?；瘜W品的運輸批量化學材料配送（BulkChemicalDistribution)系統(tǒng)：由化學品源、化學品輸送模塊和管道系統(tǒng)組成。存儲罐常常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，管道系統(tǒng)將化學品輸送到獨立的工藝線。有一些化學品采用定點（Point-of-use)輸送。第四十頁，共51頁。EquipmentServiceChaseProductionBayChemicalSupplyRoomChemicalDistributionCenterHoldingtankChemicaldrumsProcessequipmentControlunitPumpFilterRaisedandperforatedfloorElectroniccontrolcablesSupplyairductDual-wallpipingforleakconfinementPumpFilterChemicalcontrolandleakdetectionValveboxesforleakcontainmentExhaustairduct第四十一頁，共51頁。半導體制造中的氣體通用氣體：氧氣、氮氣、氫氣、氦氣和氬氣。7個9以上的純度。特種氣體：用量相對較少的、危險的氣體。4個9以上的純度第四十二頁，共51頁。通用氣體使用BGD系統(tǒng)傳送，優(yōu)點：

1.可靠而穩(wěn)定的供應氣體

2.減少雜質微粒的沾污源

3.減少日常氣體供應中的人為因素第四十三頁，共51頁。第四十四頁，共51頁。特種氣體：腐蝕性（HCl，Cl2）自燃(硅烷）有毒（砷化氫，磷化氫）高活性（六氟化鎢）第四十五頁，共51頁。特種氣體配送系統(tǒng)LPI Low-pressureisolationvalveLPV Low-pressureventvalvePGI PressuregasinletPS PressureswitchREG PressureregulatorVP VenturivacuumpumpPurgePanelCVVPCVCVPG1PSHPVFEFSESOHPIREGLPIPSPSLPVCVVSVEFVCylinderVenturisupplyinToequipmentgascontrolpanelToexhaustPurgegasinPigtailCV CheckvalveEFS ExcessflowswitchEFV ExcessflowvalveESO Emergenc