芯片制造中的化學反應(yīng)

周 易

(江蘇省宜興第一中學，江蘇 宜興 214206)

引 言

目前，我國的芯片行業(yè)嚴重依賴進口，自足率極低。以手機為例，作為全球最大的手機生產(chǎn)基地，我國手機芯片的自給率不足3%，而且主要是低端產(chǎn)品。美國對芯片的禁售令將對中國的手機、通訊、網(wǎng)絡(luò)等行業(yè)產(chǎn)生無法想象的沖擊?！爸袊尽边h落后于美國，原因是多方面的。本文從化學的角度，了解芯片生產(chǎn)技術(shù)[1]。

1 芯片的制造工藝

芯片是集成電路(IC，integratedcircuit)的載體，是IC經(jīng)過設(shè)計、制造、封裝、測試后的結(jié)果。每個芯片上都集成了各類電子元器件，數(shù)量數(shù)以億計。芯片被喻為國家的“工業(yè)糧食”，普遍應(yīng)用于計算機、手機、汽車、網(wǎng)絡(luò)通信等幾大核心領(lǐng)域，僅一部智能手機里涉及到的芯片就有數(shù)十種，除核心的主芯片CPU外，攝像頭、語音處理、電源系統(tǒng)上都需要芯片。這些芯片制造離不開晶片(晶圓)制備和化學微加工技術(shù)。芯片從石英砂開始，要經(jīng)過晶片的制備、氧化、化學氣相沉積、光刻蝕、化學拋光等大量的化學反應(yīng)過程。芯片的制造過程大致可分為硅提純和硅單晶片制備、芯片集成、封裝測試等多道工序，其工藝過程如圖1所示[2-3]。

2 晶片制備

2.1 工業(yè)硅的生產(chǎn)

原料：沙子。在電弧爐中用碳還原石英砂制得粗硅，反應(yīng)見式(1)。

(1)

圖1 芯片制造工藝流程圖

被還原出來的硅的純度約98%～99%，必須進行進一步提純。

2.2 多晶硅的生產(chǎn)和精煉

2.2.1 Si→SiHCl3

把工業(yè)硅粉碎，并用無水氯化氫(HCl)與之反應(yīng)，在流化床反應(yīng)器中，生成三氯氫硅(SiHCl3)，反應(yīng)式見式(2)。

(2)

形成氣態(tài)混合物(H2、HCl、SiHCl3、SiCl4、Si)，然后，分離提純得到SiHCl3。

2.2.2 SiHCl3→Si

凈化后的三氯氫硅采用高溫還原工藝，高純SiHCl3在H2氣氛中還原沉積生成多晶硅，反應(yīng)見式(3)。

(3)

多晶硅純度：4N～6N(4個～6個9，99.99%～99.999 9%)。

多晶硅通過熔煉拉伸得到純度為9N～11N的單晶硅棒，經(jīng)切割后得到晶片基片。

3 薄膜制備

切割后得到晶片基片，在基片表面形成一層SiO2薄膜，并在SiO2薄膜中進行N型、P型摻雜。SiO2薄膜的形成可以通過氧化、化學氣相沉積等方法進行，摻雜方法有熱擴散摻雜、離子注入摻雜等。

在電解相關(guān)的實際生產(chǎn)中,可以根據(jù)不同生產(chǎn)目標,綜合考慮以上各種情況來設(shè)計電解裝置。所以,遇到電解相關(guān)的實際問題,在分析電解過程中離子遷移情況時要結(jié)合題給信息,進行綜合分析。

3.1 氧化制膜

將晶片放入高溫爐中加熱，氧氣或水蒸氣在硅表面起化學作用，形成均勻的二氧化硅薄膜層。

干法氧化[見式(4)]：

(4)

濕法氧化[見式(5)]：

(5)

由于二氧化硅化學性質(zhì)穩(wěn)定且與襯底硅片的附著相當牢固，又是良好的絕緣體，因此二氧化硅在芯片中成了良好的防止短路的絕緣體和電容的絕緣介質(zhì)。二氧化硅對硼、磷、砷等雜質(zhì)元素有極好的抗拒性，使它們的原子不能侵入硅片。利用這個特性只有經(jīng)過特殊工藝去除掉二氧化硅的區(qū)域才能摻入雜質(zhì)，這就是獲取p-n結(jié)的關(guān)鍵。

3.2 化學氣相沉積制膜

化學氣相淀積(CVD)是使一種或數(shù)種物質(zhì)的氣體以某種方式激活后，在基片表面發(fā)生化學反應(yīng)并淀積成固體薄膜。通過不同的化學方法，可以形成不同的膜層。

通過熱解反應(yīng)可以形成多晶硅膜、碳化硅膜和鎢等金屬膜，反應(yīng)見式(6)～式(8)。

(6)

(7)

(8)

通過氫還原反應(yīng)可形成多晶硅膜，見式(9)。

(9)

通過復合還原反應(yīng)可形成硼化鈦膜，見式(10)。

(10)

(11)

(12)

通過氧化反應(yīng)和水解反應(yīng)形成多晶硅膜和氧化鋁膜，見式(13)～式(14)：

(13)

(14)

通過式(15)～式(16)反應(yīng)可形成氮化物和碳化物膜：

(15)

(16)

4 光刻蝕

在芯片制造的過程中，集成電路的形成主要依靠光刻和刻蝕(又簡稱光刻蝕)。光刻蝕是一種照相刻蝕技術(shù)，是電腦芯片制造過程中最復雜、最昂貴和關(guān)鍵的工藝。

光刻是一種圖像復印同刻蝕相結(jié)合的技術(shù)，它有光學、電子束、離子束、X射線和掃描隧道顯微鏡(STM)納米光刻等方法。光學光刻的原理和印相片相同，涂在硅片上的光刻膠相當于相紙，掩模相當于底片，用特定波長的光照射光刻膠，光刻膠有感光性和抗蝕性，即正、負性兩種類型。正膠曝光部分在顯影液中被溶解，沒有曝光的膠層留下;負膠的曝光部分在顯影液中不溶解，而沒有曝光的膠層卻被溶解掉，經(jīng)過顯影，則顯出光刻圖形，即集成電路的圖形。

經(jīng)過上述工序后，以復制到光刻膠上的集成電路的圖形作為掩模，對下層的材料進行刻蝕?？涛g技術(shù)是利用化學腐蝕法把材料的某一部分去除的技術(shù)，分為干法刻蝕和濕法刻蝕。

4.1 濕法刻蝕

通過特定的溶液與需要刻蝕的薄膜發(fā)生化學反應(yīng)，除去光刻膠未覆蓋區(qū)域的薄膜。多晶硅膜的刻蝕，反應(yīng)見式(17)～式(18)。

(17)

(18)

4.2 干法刻蝕

在等離子體存在的條件下，以平面曝光后得到的光刻圖形作掩模，通過化學反應(yīng)，精確可控地除去襯底表面上一定深度的薄膜物質(zhì)。

4.2.1 以Cl2刻蝕去除多晶硅膜[見式(19)～式(21)]

(19)

(20)

(21)

4.2.2 以F2刻蝕去除SiO2膜[見式(22)和第142頁式(23)～式(25)]

(22)

(23)

(24)

(25)

4.2.3 金屬膜層的刻蝕

金屬鋁(Al)、鉬(Mo)、鎢(W)、鉭(Ta)等可用CCl4、CF4、SF6等氣體刻蝕。例如，Al被CCl4和O2刻蝕的反應(yīng)如式(26)～式(29)。

(26)

(27)

(28)

(29)

5 結(jié)語

從本文涉及到的化學反應(yīng)來看，芯片制造過程中的化學反應(yīng)并不復雜，但是，制約我國芯片技術(shù)進步的原因是多方面的，包括尖端精細制造技術(shù)及設(shè)備的欠缺、超純環(huán)境的創(chuàng)建、超純物質(zhì)的生產(chǎn)檢測等，其中很多方面都與先進的化工技術(shù)相關(guān)。