芯片制造-半导体工艺教程(5)

芯片制造-半导体工艺教程

学品和它们的特性。 分子，化合物和混合物

在2.3.1节，用玻尔原子模型解释物质的基本结构。这个模型可解释组成自然界所有物质的元素之间的结构差异，但是很显然自然界中超过了103（元素的数目）种物质。

非元素材料的基本单位是分子。水的基本单位是两个氢原子和一个氧原子组成的分子。材料的多样性源自原子之间相互结合形成分子。

每次我们想指定一个分子时就画一个如图2.15的图表是不方便的，更常用的方式是写出分子式。如水它就是熟悉的H2O。这个分子式确切地告诉我们在材料中的元素和其数目。化学家用更确切的术语―化合物‖来描述由元素的不同组合。这样H2O（水），NaCl（氯化钠或盐），H2O2（过氧化氢）和As2O3（三氧化砷）都是由一个一个分子集合成的不同化合物。 有的元素结合成双原子分子，双原子分子是分子中有两个相同元素的原子。熟悉的气体如氧气、氮气和氢气在自然状态下都是由双原子分子构成的。这样它们的公式就是O2，N2和H2。

物质还有其它两种形式：混合物和溶液。混合物由两种或更多种物质构成，但每种物质都保留各自的特性。典型的混合物就是盐和胡椒粉。

溶液是固体溶解于液体中的混合物，在液体中，固体分散分布，呈现出独特的性能。不过溶液中的物质并没有形成新的分子。盐水就是溶液的一个例子，可以把它分解回其初始状态：盐和水。

图2.15 水分子图 离子

术语―离子（ion）‖或―离子的（ionic）‖经常在半导体工艺中使用。该术语指的是材料中任何电荷不平衡的原子或分子。离子是通过在元素或分子的化学符号后加上一个正或负号的上标（Na+，Cl-）。举例来说，一个很严重的污染问题就是可移动的离子污染比如钠（Na+）。当钠进入半导体材料或器件中，由于钠带正电荷而引起问题。但在某些工艺如离子注入工艺中，形成离子如硼离子（B+）对完成工艺是很必要的。

第二章 半导体材料和工艺化学品---4 by r53858 物质的状态

固体，液体和气体

物质有四种状态：固体，液体，气体和等离子体（图2.16）。

**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。一公升的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。

特定物质的状态与其压力和温度很有关系。温度是对材料中包含的所有能量的一种衡量。我们知道只需简单地改变其温度和（或）压力，水就可以在三种状态下存在（冰，液态水，蒸汽或水蒸气）。压力的影响更加复杂，超出了本文的

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讨论范围。

固体 液体 气体

等离子体

图2.16 物质的四种状态 等离子体

第四种状态就是等离子体。恒星就是一个典型的例子，它当然不符合固体，液体或气体的定义。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，它的一个优点就是它跟对流系统如烤箱里的对流加热相比，能量可以在较低的温度下传递。

物质的性质

所有物质都可用其化学组成和由化学组成而决定的性质来区分。在这一节，定义了好几个重要性质，都需要通过与半导体材料和工艺化学品打交道来理解的。 温度

不管是在氧化管中还是在等离子刻蚀反应室内，化学品的温度都对和其它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。有三种温度表示方法用于标识材料的温度，它们是华氏温标，摄氏温标和开氏温标（图2.17）。

水的沸点 水的冰点 绝对零度

图2.17 温度计量系统

华氏温标由德国物理学家Gabriel Fahrenheit用盐和水溶液开发的。他把溶液的冰点温度定为华氏零度，不幸地是纯水的冰点温度更有用，结果是在华氏温标中水的冰点温度为32度，沸腾温度为212度，两点之间相差180度。

摄氏或百分温标在科学研究中更为常用，将纯水冰点设为0度，沸点设为100度更有意义。注意这样在冰点和沸点之间正好是100度，这也意味着在摄氏温标中改变一度比华氏温标中需要更多的能量。

第三种温标是开氏温标。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-273度。在开氏温标中，水在273度结冰，在373度沸腾。 密度，比重和蒸汽密度

物质的一个重要性质就是密度（dense）。当我们说某个东西是密集的，我们指的是单位体积的数量或重量。软木塞就比等积的铁密度低。密度以每立方厘米材料重量即克来衡量。水作为标准（在4摄氏度）每立方厘米重1克。其它的物质的密度用和相当体积的水的比值来表示。硅的密度为2.3，这样每立方厘米的硅就重2.3克。

比重（specific gravity）这个术语指的是4摄氏度时液体和气体的密度，它是物

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质的密度与水的比值。汽油的比重为0.75，意味着是水密度的75%。

蒸汽密度（vapor density）是指在一定温度和压力下气体的密度。空气每一立方厘米的密度为1，可以作为参考值。氢气的蒸汽密度为0.60，它是同体积的空气密度的60%。在同样大小的容器中，氢气的重量会是空气的60%。 压力和真空

物质另一个重要方面就是压力。压力作为一种性质通常用于液体和气体。压力定义为施加在容器表面上单位面积的力。 气缸中的气压迫使气体进入工艺反应室。所有的工艺机器都用量表表来测量和控制气压。

气压表示为英镑每平方英寸（psia），大气压或托。一个大气压就是在特定温度下包围地球的大气压力。这样高压氧化系统在5个大气压下工作，其压力是大气压的5倍。

空气的大气压为14.7psia，在气缸中气压要用psig或英镑每平方英寸的表。这意味着表的读数是绝对的，它并不包括外界的大气压。

真空（vacuum）也是在半导体工艺中要遇到的术语和情况，它实际上是低压的情况。一般来说，压力低于标准大气压就认为是真空。真空条件是用压力单位来衡量的。

低压倾向于用托来表示。这个单位是以意大利科学家托里切利，他在气体和其性质领域做出了很多重要发现。1托就是压力计中一毫米汞柱（manometer）所对应的压力。

如图2.18a所示的，想象当压力超过大气压时对压力计中水银柱的影响。当压力升高，在盘子里的水银受压而使水银柱升高。现在想象当气体从系统中抽走形成真空时会怎样（图2.18b)。只要有任何气体分子或原子在压力计中，施加在盘中的水银上的压力就会很小，从而水银柱就会升高一点点但很有限。水银柱变化是毫米级的，是与压力相关，或者在这种情况下是与真空有关。

蒸发，溅射和离子都工作在10-6到10-9托的真空（压力）。如果将其转换为只有一个简单压力计的真空系统，这就意味着水银柱才0.000000001(1x10-9)到0.000001(1x10-6)毫米高，非常小的长度。在实践中，水银压力计是不能测量这么低的压力的，而是使用其它更灵敏的压力表。

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酸，碱和溶剂 酸和碱

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