5-半导体制造中的化学品(自学为主)

冷凝和气化
• 冷凝：气体变成液体的过程 • 气化：从液体变成气体的过程
蒸气压
• 蒸气压是密闭容器中气体处于平衡状态时 产生的压力。
• 高蒸气压材料是易挥发的，容易变成气体， 如香水等。
升华和凝华
• 升华：固体直接变成气体的过程 • 凝华：气体直接变成固体的过程
密度
• 密度=质量/体积（g/cm^3) 标准温度和大气压下一些常见材料的密度：
酸碱等化学药品使用须知 （实验室）2
• 废液处理：废液分酸、碱、氢氟酸、有机等，分开处理 并登记，回收桶标示清楚，废酸请放入废酸桶，不可任 意倾倒，更不可与有机溶液混合。废弃有机溶液置放入 有机废液桶内，不可任意倾倒或倒入废酸桶内。
• 使用后的废HF倒回收回瓶，切记用黑色笔做明显标记 “废HF”，以免伤及其他人，或造成误用影响工作。废液 桶内含氢氟酸等酸碱，绝对不可用手触碰。
气体的压强和真空
• 压强定义为： 施加在容器表面上单位面积的力。所
有的工艺机器都用气压表来测量和控制气 压。
气压的大小用英磅每平方英寸(psia) 来表示。
气体的压强和真空
• 真空是在半导体工艺中要遇到的术语，它 实际上是低压的情况。 一般来说，压力低于标准大气压（14.7 psia ）就认为是真空。
名称 DI Water
IPA TCE Acetone
Xylene
用途
漂洗硅片和稀释清洗剂
通用清洗剂 用于硅片和一样用途的清洗溶剂 通用清洗剂（比 IPA 强） 强清洗剂，也可以用来清洗硅片边缘光 刻胶
酸碱等化学药品使用须知 （实验室）
➢ 所有化学药品之作业均须在通风良好或排气之处为之。 ➢ 稀释酸液时，千万记得加酸于水，绝不可加水于酸。 ➢ 酸类可与碱类共同存于有抽风设备的储柜中，但绝不
Exhaust air duct
Valve boxes for leak
containment
Chemical control and leak detection
Chemical Supply Room
Filter
Holding
Filter
tank
Pump
Pump
Supply air duct
Chemical drums
半导体制造技术
第五章 半导体制造中的化学品
学习目标： 1.物质的四种形态 2.半导体制造有关的重要化学性质 3.半导体工艺化学品的分类和使用 4.如何在芯片制造中使用酸、碱和溶剂 5.通用气体和特种气体，气体在晶片制造中
的运送和使用
• 半导体制造业中使用大量的化学品来制造 硅片。另外化学品还被用于清洗硅片和处 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。 它们有不同的形态并且要严格控制纯度。
应力
• 淀积膜通常会产生两种应力：拉伸应力和 压缩应力，应力的性质取决于工艺条件。
Deposited film Substrate (a)
CTE of deposited material equals CTE of substrate
压缩应力 拉伸应力
High CTE material Low CTE material (b)
• 有一些化学品采用定点（Point-of-use)输送。
Equipment Service Chase
Production Bay
Control Process
unit
equipment
Electronic control cables
Chemical Distribution Center
Dual-wall piping for leak confinement
不同化学物质的PH值
pH
常用化学品
1
汽车蓄电池使用的酸(硫酸)
2
3
柠檬汁、醋
4
苏打、葡萄酒
5
蕃茄汁、啤酒
6
Leabharlann Baidu
尿
7
自来水、牛奶、唾液
8
血液、唾液
9
镁乳
10
清洁剂
11
家用氨水
12
13
家用污垢清洁剂
14
镍镉电池 (NaOH)
腐蚀性 腐蚀性
半导体制造过程中常用的溶剂
溶剂 去离子水 异丙醇 三氯乙烯
丙酮
二甲苯
物质
氢气 氧气
水 精制食盐
硅 铝 金
物理状态
气体 气体 液体 固体 固体 固体 固体
密度 (g/cm3) 0.000089 0.0014
1.0 2.16 2.33 2.70 19.3
表面张力
• 液滴的表面张力是增加接触表面积所需的 能量。在半导体制造中用来衡量液体均匀 涂在硅圆片表面的粘附能力。
低表面张力
• 硫酸 H 2SO4
硫酸是无色无嗅的油状液体。浓度95%~98%， 比重1.838的硫酸为浓硫酸，浓硫酸具有强氧化性、 强酸性、吸水脱水性、强腐蚀性和高沸点难挥发 性等。硫酸具有强酸性，和盐酸一样能与活泼金 属、金属氧化物及氢氧化物等作用，生成硫酸盐。
• 硝酸 HNO3
纯硝酸是一种无色透明的液体，易挥发，有 刺激性气味。硝酸见光受热很容易分解。
用途举例 刻蚀二氧化硅和清洗石英器皿 湿法清洗化学品，去除硅中的重金属 元素 清洗硅片
刻蚀二氧化硅膜
Phosphoric acid 磷酸 Nitric acid 硝酸
H3PO4 HNO3
刻蚀氮化硅 (Si3N4) 刻蚀磷硅酸盐玻璃 (PSG).
• 氢氟酸的性质与作用
氢氟酸是氟化氢的水溶液，它是一种无色透 明的液体，蒸汽有刺激臭味、剧毒，与皮肤接触 时会发生严重的难以治愈的烧伤。浓的氢氟酸含 氟化氢48％。含氟化氢35％的氢氟酸的比重是 1.14，沸点是112℃。
Low CTE material High CTE material (c)
工艺用化学品
• 液态 • 固态 • 气态
化学品在半导体制造中的主要用途
• 湿法化学溶液和超纯净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 • 淀积不同的金属导体层及导体层之间必要的介质
层 • 生长薄的二氧化硅作为MOS旗舰主要的栅极介质
可与有机溶剂存放在一起。 ➢ 在完成操作后，将未用完的酸瓶放入通风柜下，将废
瓶标签朝外摆在操作台上，若沾有酸迹或污渍，用湿 抹布打扫干净，关电炉。用完的湿抹布用清水冲洗干 净并放回原处。 ➢ HF酸属弱酸，但具有强的钙质腐蚀性和刺激性气味， 为最危险的化学药品之一，使用时需要戴橡胶手套， 在通风柜下操作。
温度
不管是在氧化管中还是在等离子刻蚀 反应室内，化学品的温度都对其化学品的 反应发挥着重要影响，而且一些化学品的 安全使用也需要了解和控制化学品的温度。
有三种温度表示法：华氏温标、摄氏 温标和开氏温标。
• 华氏温标 ( F )是由德国物理学家Gabriel Fahrenheit用盐和水溶液开发的。他把盐溶液的 冰点温度定为华氏零度。
一般地，纯水的冰点温度更有用，在华氏温标中 水的冰点温度为32F，沸点温度为212F，两点之 间相差180F。
• 摄氏温标 ( C ) 在科学研究中更为常用，将纯 水冰点设为 0C，沸点设为100C
• 开氏温标 ( K )。它和摄氏温标用一样的尺度， 只不过是基于绝对零度。绝对零度就是所有原子 停止运动的理论温度，该值为 -273C。
温度越高或酸的浓度越大，则分解越快。市 售浓硝酸质量百分比为69.2%，比重为1.41。 96%~98%的硝酸因含有过量二氧化氮而呈棕黄色， 称为发烟硝酸。硝酸具有强氧化性、强酸性和强 腐蚀性。
• 王水 浓硝酸和浓盐酸按1:3的体积比混合，即可配
成王水。其反应式如下： HNO3 + HClH2O + Cl + NOCl 王水中不仅含有硝酸、盐酸等强酸，而且还
Hydrochloric acid 盐酸
Sulfuric acid 硫酸
Buffered oxide etch (BOE): Solution of hydrofluoric acid and
ammonium fluoride 缓冲氧化层刻蚀：氢氟酸和氟化
铵溶液
符号 HF HCl H2SO4
HF and NH4F
Raised and perforated floor
半导体制造中的气体
• 通用气体：氧气、氮气、氢气、氦气和氩 气。7个9以上的纯度。
• 特种气体：用量相对较少的、危险的气体。 4个9以上的纯度
• 通用气体使用BGD系统传送，优点： 1.可靠而稳定的供应气体 2.减少杂质微粒的沾污源 3.减少日常气体供应中的人为因素
Type of Gas Inert 惰性
Gas
Nitrogen 氮气
Argon 氩气
Helium 氦气
Symbol
Example of Use
物质形态
• 固态 • 液态 • 气态 • 等离子态
• 固体在常温常压下保持一定的形状和体积。 • 液体有一定的体积但形状是变化的。一升水会与
其容器形状一致。
• 气体既无一定形状又无一定体积。它也会跟其容 器形状一致，但跟液体不同之处是，它可扩展或 压缩直至完全充满容器。
注：特定物质的状态与其压力和温度有关。 温度是对材料中包含的所有能量的一种衡量。
• 等离子体是电离原子或分子的高能集合， 在工艺气体上施加高能射频场可以诱发等 离子体。它可用于半导体技术中促使气体 混合物化学反应。
材料的属性
• 物理属性：熔点、沸点、电阻率和密度等 • 化学属性：可燃性、反应性和腐蚀性
半导体制造中的化学名词
• 温度 • 密度 • 压强和真空 • 表面张力 • 冷凝 • 热膨胀 • 蒸汽压 • 应力 • 升华和凝华
在化学清洗和腐蚀工艺中，主要利用氢氟酸 能溶解二氧化硅（SiO2）这一特性来腐蚀玻璃、 石英和硅片表面上的二氧化硅层。
• 盐酸（HCl）
盐酸是氯化氢气体溶解于水而制得的一种无 色透明有刺激性气味的液体，一般盐酸因含有杂 质而呈淡黄色。浓度36%~38%，比重1.19的盐酸为 浓盐酸，浓盐酸具有强酸性、强腐蚀性和易挥发 性。
在半导体器件生产中主要是利用过氧化氢在 酸性和碱性溶液中具有强氧化性来清除有机和无 机杂质。
• 通常在家中就可找到酸和碱：柠檬汁和醋是酸， 氨水和溶于水的苏打是碱。
• 酸和碱的强度和反应用pH值来衡量。该值从0到14， 7为中性点。水既不是酸又不是碱，所以其pH值为 7。
• 溶剂是不带电的，pH值为中性。水就是溶剂，实 际上它溶解其他物质的能力最强。在晶圆工艺中 也经常应用酒精和丙酮。
高表面张力
热膨胀
• 热膨胀是物体因受热而产生的物理尺寸的 增大，用热膨胀系数（或CTE）衡量。非晶 的热膨胀是各向同性的，单晶的热膨胀是 各向异性的。
应力
• 物体受到外力作用的时候就会产生应力。 应力的大小取决于外力的大小和外力作用 的面积。硅片制造过程中多种原因会可以 导致应力的产生，如硅表面的物理损伤； 位错和杂质和外界材料生长等。
• 勿尝任何化学药品或以嗅觉来确定容器内之药品。 • 不明容器内为何种药品时，切勿摇动或倒置该容器。 • 漏水或漏酸处理：为确保安全，绝对不可用手触碰，先
将电源总开关与相关阀门关闭，再以无尘布或酸碱吸附 器处理之，并报备管理人。
化学品的运输
• 批量化学材料配送（Bulk Chemical Distribution)系统：由化学品源、化学品输送模 块和管道系统组成。存储罐常常在主要生产线的 地下，输送模块用来过滤、混合和输送化学品， 管道系统将化学品输送到独立的工艺线。
符号
NaOH NH4OH
KOH TMAH
用途举例
湿法刻蚀 清洗剂 正性光刻胶显影剂 正性光刻胶显影剂
• 过氧化氢的氧化作用 过氧化氢（H2O2）俗称双氧水，能与水按任
何比例混合。双氧水（H–O–O–H）很不稳定，容 易分解。在普通条件下将慢慢分解成水和氧气。
H2O22H2O + O2↑
它既可作为氧化剂也可作为还原剂。
有初生态（Cl）和氯化亚硝酰NOCl(具强腐蚀性， 有毒，对眼部、皮肤和肺部有刺激性。)等强氧化 剂。 氯化亚硝酰是一种沸点较低的液体，受热即 分解为一氧化氮和原子氯。
王水不但能溶解较活泼金属和氧化物，而且 还能溶解不活泼的金、铂等几乎所有的金属。
半导体制造过程中常用的碱
碱 氢氧化钠 氢氧化铵 氢氧化钾 氢氧化四甲基铵
材料 • 用等离子体或湿法试剂做刻蚀，有选择地去除材
料并在薄膜上形成所需要的图形
液体
• 溶液 • 溶剂 • 溶质
• 酸：一种包含氢并且氢在水中裂解形成水 合氢离子的溶液
• 碱：含OH根的化合物，可以水解生产氢氧 根离子
• 溶剂：能够溶解其它物质形成溶液的物质
半导体制造过程中常用的酸
酸 Hydrofluoric acid 氢氟酸