Popularisierung von Gasen mit ultrahoher Reinheit in der Halbleiterherstellung! Deutschland

Ultrahochreine Gase sind in der gesamten Halbleiterlieferkette unverzichtbar. Tatsächlich stellen hochreine Gase für eine typische Halbleiterfabrik nach dem Silizium selbst den größten Materialaufwand dar. Im Zuge des weltweiten Chipmangels wächst die Branche schneller denn je – und die Nachfrage nach hochreinen Gasen steigt.

Die am häufigsten verwendeten Massengase bei der Halbleiterherstellung sind Stickstoff, Helium, Wasserstoff und Argon.

Stickstoff

Stickstoff macht 78 % unserer Atmosphäre aus und ist in großen Mengen vorhanden. Außerdem ist er chemisch inert und nicht leitend. Daher hat Stickstoff als kostengünstiges Inertgas seinen Weg in zahlreiche Industriezweige gefunden.

Die Halbleiterindustrie ist ein großer Stickstoffverbraucher. Eine moderne Halbleiterfertigungsanlage verbraucht voraussichtlich bis zu 50,000 Kubikmeter Stickstoff pro Stunde. Bei der Halbleiterfertigung dient Stickstoff als allgemeines Inertisierungs- und Spülgas und schützt empfindliche Siliziumwafer vor reaktivem Sauerstoff und Feuchtigkeit in der Luft.

Helium

Helium ist ein inertes Gas. Das bedeutet, dass Helium wie Stickstoff chemisch inert ist – es hat aber zusätzlich den Vorteil einer hohen Wärmeleitfähigkeit. Dies ist besonders bei der Herstellung von Halbleitern nützlich, da es die Wärme von energieintensiven Prozessen effizient ableiten und so dazu beitragen kann, diese vor thermischen Schäden und unerwünschten chemischen Reaktionen zu schützen.

Wasserstoff

Wasserstoff wird im gesamten Herstellungsprozess von Elektronik in großem Umfang verwendet, und die Halbleiterproduktion bildet hier keine Ausnahme. Insbesondere wird Wasserstoff für folgende Zwecke verwendet:

Glühen: Siliziumwafer werden typischerweise auf hohe Temperaturen erhitzt und langsam abgekühlt, um die Kristallstruktur zu reparieren (glühen). Wasserstoff wird verwendet, um die Wärme gleichmäßig auf den Wafer zu übertragen und den Wiederaufbau der Kristallstruktur zu unterstützen.

Epitaxie: Ultrareiner Wasserstoff wird als Reduktionsmittel bei der epitaktischen Abscheidung von Halbleitermaterialien wie Silizium und Germanium verwendet.

Abscheidung: Siliziumfilme können mit Wasserstoff dotiert werden, um ihre Atomstruktur ungeordneter zu machen und so den spezifischen Widerstand zu erhöhen.

Plasmareinigung: Wasserstoffplasma ist besonders wirksam bei der Entfernung von Zinnverunreinigungen aus Lichtquellen, die in der UV-Lithografie verwendet werden.

Argon

Argon ist ein weiteres Edelgas und weist daher die gleiche geringe Reaktivität wie Stickstoff und Helium auf. Aufgrund seiner geringen Ionisierungsenergie ist Argon jedoch für Halbleiteranwendungen nützlich. Aufgrund seiner relativ leichten Ionisierung wird Argon häufig als primäres Plasmagas für Ätz- und Abscheidungsreaktionen bei der Halbleiterherstellung verwendet. Darüber hinaus wird Argon auch in Excimerlasern für die UV-Lithografie verwendet.

Warum Reinheit wichtig ist

Fortschritte in der Halbleitertechnologie wurden üblicherweise durch Größenskalierung erzielt, und die neue Generation der Halbleitertechnologie zeichnet sich durch kleinere Strukturgrößen aus. Dies bringt mehrere Vorteile mit sich: mehr Transistoren in einem bestimmten Volumen, verbesserte Ströme, geringerer Stromverbrauch und schnelleres Schalten.

Da die kritische Größe jedoch abnimmt, werden Halbleiterbauelemente immer ausgefeilter. In einer Welt, in der die Position einzelner Atome von Bedeutung ist, sind die Fehlertoleranzschwellen sehr eng. Daher erfordern moderne Halbleiterprozesse Prozessgase mit höchstmöglicher Reinheit.

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