芯片制造中的化学反应

周 易

(江苏省宜兴第一中学，江苏 宜兴 214206)

引 言

目前，我国的芯片行业严重依赖进口，自足率极低。以手机为例，作为全球最大的手机生产基地，我国手机芯片的自给率不足3%，而且主要是低端产品。美国对芯片的禁售令将对中国的手机、通讯、网络等行业产生无法想象的冲击。“中国芯”远落后于美国，原因是多方面的。本文从化学的角度，了解芯片生产技术[1]。

1 芯片的制造工艺

芯片是集成电路(IC，integratedcircuit)的载体，是IC经过设计、制造、封装、测试后的结果。每个芯片上都集成了各类电子元器件，数量数以亿计。芯片被喻为国家的“工业粮食”，普遍应用于计算机、手机、汽车、网络通信等几大核心领域，仅一部智能手机里涉及到的芯片就有数十种，除核心的主芯片CPU外，摄像头、语音处理、电源系统上都需要芯片。这些芯片制造离不开晶片(晶圆)制备和化学微加工技术。芯片从石英砂开始，要经过晶片的制备、氧化、化学气相沉积、光刻蚀、化学抛光等大量的化学反应过程。芯片的制造过程大致可分为硅提纯和硅单晶片制备、芯片集成、封装测试等多道工序，其工艺过程如图1所示[2-3]。

2 晶片制备

2.1 工业硅的生产

原料：沙子。在电弧炉中用碳还原石英砂制得粗硅，反应见式(1)。

(1)

图1 芯片制造工艺流程图

被还原出来的硅的纯度约98%～99%，必须进行进一步提纯。

2.2 多晶硅的生产和精炼

2.2.1 Si→SiHCl3

把工业硅粉碎，并用无水氯化氢(HCl)与之反应，在流化床反应器中，生成三氯氢硅(SiHCl3)，反应式见式(2)。

(2)

形成气态混合物(H2、HCl、SiHCl3、SiCl4、Si)，然后，分离提纯得到SiHCl3。

2.2.2 SiHCl3→Si

净化后的三氯氢硅采用高温还原工艺，高纯SiHCl3在H2气氛中还原沉积生成多晶硅，反应见式(3)。

(3)

多晶硅纯度：4N～6N(4个～6个9，99.99%～99.999 9%)。

多晶硅通过熔炼拉伸得到纯度为9N～11N的单晶硅棒，经切割后得到晶片基片。

3 薄膜制备

切割后得到晶片基片，在基片表面形成一层SiO2薄膜，并在SiO2薄膜中进行N型、P型掺杂。SiO2薄膜的形成可以通过氧化、化学气相沉积等方法进行，掺杂方法有热扩散掺杂、离子注入掺杂等。

在电解相关的实际生产中,可以根据不同生产目标,综合考虑以上各种情况来设计电解装置。所以,遇到电解相关的实际问题,在分析电解过程中离子迁移情况时要结合题给信息,进行综合分析。

3.1 氧化制膜

将晶片放入高温炉中加热，氧气或水蒸气在硅表面起化学作用，形成均匀的二氧化硅薄膜层。

干法氧化[见式(4)]：

(4)

湿法氧化[见式(5)]：

(5)

由于二氧化硅化学性质稳定且与衬底硅片的附着相当牢固，又是良好的绝缘体，因此二氧化硅在芯片中成了良好的防止短路的绝缘体和电容的绝缘介质。二氧化硅对硼、磷、砷等杂质元素有极好的抗拒性，使它们的原子不能侵入硅片。利用这个特性只有经过特殊工艺去除掉二氧化硅的区域才能掺入杂质，这就是获取p-n结的关键。

3.2 化学气相沉积制膜

化学气相淀积(CVD)是使一种或数种物质的气体以某种方式激活后，在基片表面发生化学反应并淀积成固体薄膜。通过不同的化学方法，可以形成不同的膜层。

通过热解反应可以形成多晶硅膜、碳化硅膜和钨等金属膜，反应见式(6)～式(8)。

(6)

(7)

(8)

通过氢还原反应可形成多晶硅膜，见式(9)。

(9)

通过复合还原反应可形成硼化钛膜，见式(10)。

(10)

(11)

(12)

通过氧化反应和水解反应形成多晶硅膜和氧化铝膜，见式(13)～式(14)：

(13)

(14)

通过式(15)～式(16)反应可形成氮化物和碳化物膜：

(15)

(16)

4 光刻蚀

在芯片制造的过程中，集成电路的形成主要依靠光刻和刻蚀(又简称光刻蚀)。光刻蚀是一种照相刻蚀技术，是电脑芯片制造过程中最复杂、最昂贵和关键的工艺。

光刻是一种图像复印同刻蚀相结合的技术，它有光学、电子束、离子束、X射线和扫描隧道显微镜(STM)纳米光刻等方法。光学光刻的原理和印相片相同，涂在硅片上的光刻胶相当于相纸，掩模相当于底片，用特定波长的光照射光刻胶，光刻胶有感光性和抗蚀性，即正、负性两种类型。正胶曝光部分在显影液中被溶解，没有曝光的胶层留下;负胶的曝光部分在显影液中不溶解，而没有曝光的胶层却被溶解掉，经过显影，则显出光刻图形，即集成电路的图形。

经过上述工序后，以复制到光刻胶上的集成电路的图形作为掩模，对下层的材料进行刻蚀。刻蚀技术是利用化学腐蚀法把材料的某一部分去除的技术，分为干法刻蚀和湿法刻蚀。

4.1 湿法刻蚀

通过特定的溶液与需要刻蚀的薄膜发生化学反应，除去光刻胶未覆盖区域的薄膜。多晶硅膜的刻蚀，反应见式(17)～式(18)。

(17)

(18)

4.2 干法刻蚀

在等离子体存在的条件下，以平面曝光后得到的光刻图形作掩模，通过化学反应，精确可控地除去衬底表面上一定深度的薄膜物质。

4.2.1 以Cl2刻蚀去除多晶硅膜[见式(19)～式(21)]

(19)

(20)

(21)

4.2.2 以F2刻蚀去除SiO2膜[见式(22)和第142页式(23)～式(25)]

(22)

(23)

(24)

(25)

4.2.3 金属膜层的刻蚀

金属铝(Al)、钼(Mo)、钨(W)、钽(Ta)等可用CCl4、CF4、SF6等气体刻蚀。例如，Al被CCl4和O2刻蚀的反应如式(26)～式(29)。

(26)

(27)

(28)

(29)

5 结语

从本文涉及到的化学反应来看，芯片制造过程中的化学反应并不复杂，但是，制约我国芯片技术进步的原因是多方面的，包括尖端精细制造技术及设备的欠缺、超纯环境的创建、超纯物质的生产检测等，其中很多方面都与先进的化工技术相关。