干貨！半導體濺射工藝有毒有害氣體檢測方案
發布時間：2024-12-11
半導體濺射工藝使用的電子氣體中有一些是危險氣體
在半導體制造領域，濺射工藝是一項至關重要的技術，它對半導體器件的性能和質量有著深遠影響。
半導體濺射工藝被廣泛應用于半導體器件的加工和制備：
半導體器件制造：半導體器件中的金屬線條、電容、電阻等部分普遍采用半導體濺射工藝進行制造；
太陽能電池制造：在太陽能電池制造過程中，半導體濺射工藝可以用于制備電池表面的金屬電極以及其它稀材料的薄膜。這些薄膜可以提高太陽能電池的轉換效率；
磁性記錄媒介：在磁性記錄媒介制造過程中，半導體濺射工藝可以制備出磁性材料的薄膜，以便記錄信息；
其它領域：半導體濺射工藝還被廣泛應用于表面涂料、光學薄膜、化學傳感器等領域；
半導體濺射工藝
▲? 半導體濺射工藝（Sputtering）是一種常用的薄膜制備技術，也稱為物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition，PVD）。該技術通過在真空環境下，將高能粒子射向靶材，使靶材表面的原子或分子得到解離和釋放，然后在襯底表面形成一層物質膜，從而實現對襯底表面的改性和薄膜制備。?
半導體濺射工藝流程
· 準備靶材和襯底：所選靶材和襯底要求質量純度高、表面平整度好。
· 進行真空抽氣：半導體濺射工藝需要在真空環境下進行。進行真空抽氣可以將系統內空氣和雜質排除，保證工藝質量。
· 進行氣體等離子體放電：將氣體注入反應室，產生等離子體放電，使前方的氣體活化。
· 開啟濺射源：通過電極和磁場等手段，將高能粒子加速，并使其射向靶材表面，使靶材表面的原子或分子得到解離和釋放。
· 沉積：通過濺射作用，將釋放的原子或分子沉積到襯底表面上。
· 改性：通過改變濺射源、氣體組分和襯底電壓等工藝參數來控制膜厚和膜質量，實現對襯底表面的改性。
濺射氣體有工作氣體及反應氣體兩大類：
1工作氣體
在真空室中，當壓力為0.1~1Pa時，受強電場的作用而電離為正離子和電子。由于異性相吸，正離子受陰極負高壓的吸引以巨大的能量轟擊靶材而產生濺射。一般采用惰性氣體，工業生產通常采用氬作為工作氣體。
2反應氣體
為了產生氧化物、氮化物、硫化物和碳化物膜層，在進行濺射時，濺射室分別加入氧氣、氮氣、硫化氫、甲烷等氣體，純金屬靶材濺射出來的原子與這些氣體進行化學反應，生成氧化物或氮化物、硫化物、碳化物，然后沉積在基片表面而形成氧化物、氮化物、硫化物或碳化物膜層。這些氣體稱為反應氣體。
在半導體濺射過程中，使用的電子氣體中有一些是危險氣體。例如，氟氣是一種常用的氣體，但它具有劇毒性和腐蝕性，對人體和環境都具有危害。氯氣也是一種有毒氣體，長時間接觸或高濃度接觸會對健康造成嚴重影響。此外，二氧化氮和氨氣等氣體也具有一定的危險性。
半導體濺射工藝中應用氣體的特性
在半導體濺射工藝中，應用的氣體存在多種危險特性，這些危險氣體的特性需要被嚴格監測和管理，以確保操作人員的安全和工藝的穩定性。
?①? ?易燃性??
氫氣（H?）：氫氣是一種常見的用于某些特殊濺射工藝或設備清洗的氣體。它具有極易燃的特性，其燃燒范圍很寬，在空氣中的體積分數為4.0% - 75.6%時，遇到火源就會發生劇烈燃燒。在半導體制造環境中，即使是一個小的靜電火花或者高溫表面，都可能引發氫氣燃燒，導致火災甚至爆炸。例如，當氫氣泄漏到一個封閉的、有潛在火源的空間（如電氣設備附近）時，危險系數會急劇上升。
硅烷（SiH?）：硅烷常用于化學氣相沉積（CVD）工藝，該工藝有時與濺射工藝協同用于半導體制造。硅烷也是高度易燃氣體，它在空氣中能自燃，因為它與空氣中的氧氣反應活性很高。其自燃溫度相對較低，大約在420℃左右，一旦泄漏，很容易被周圍環境中的熱源（如設備運行產生的熱量）點燃，引發火災。
?②? ?易爆性? ?
乙炔（C?H?）：在一些特殊的半導體表面處理工藝中可能會用到乙炔。乙炔屬于易燃易爆氣體，它的爆炸極限范圍比較寬，在空氣中體積分數為2.5% - 82%時都可能發生爆炸。在含有乙炔的系統中，如果氣體壓力過高、溫度異常或者遇到強烈的震動等情況，都可能引發爆炸。特別是在半導體制造車間這種存在大量電氣設備和精密儀器的場所，乙炔爆炸可能會造成嚴重的設備損壞和人員傷亡。
某些混合氣體：例如，當氫氣與氧氣按照一定比例混合時，形成的混合氣體具有極高的爆炸危險性。這種混合氣體在遇到火源、靜電放電或者能量沖擊時，會瞬間發生劇烈爆炸。在濺射工藝中，如果氣體輸送系統出現故障，導致氣體混合比例失控，就可能形成這種易爆的混合氣體環境。
?③? ?毒性? ?
砷化氫（AsH?）：在半導體制造中，砷化氫用于一些化合物半導體材料的制備過程。它是一種劇毒氣體，即使吸入少量，也會對人體造成嚴重的危害。砷化氫進入人體后，會與紅細胞中的血紅蛋白結合，破壞紅細胞的正常功能，導致溶血現象。長期暴露在低濃度的砷化氫環境中，也可能會引起慢性中毒，對人體的肝臟、腎臟等器官造成損害。
磷化氫（PH?）：磷化氫常用于離子注入工藝，它也是一種有毒氣體。磷化氫主要作用于人體的呼吸系統和神經系統，吸入高濃度的磷化氫會引起頭暈、頭痛、惡心、嘔吐等癥狀，嚴重時可能導致呼吸困難、昏迷甚至死亡。而且，磷化氫中毒的癥狀可能會在接觸后的一段時間內逐漸顯現，具有一定的隱蔽性。
?④? ?窒息性??
氮氣（N?）和氬氣（Ar）：氮氣和氬氣是半導體濺射工藝中最常用的氣體。雖然它們本身無毒，但在高濃度環境下，會取代空氣中的氧氣，導致人體缺氧窒息。例如，在一個封閉的濺射腔室或者氣體儲存區域，如果氮氣或氬氣泄漏并大量積聚，當氧氣含量降低到一定程度（一般認為氧氣含量低于18%）時，操作人員進入該區域就可能會出現頭暈、呼吸困難等窒息癥狀。這在半導體制造車間這種人員可能頻繁進出氣體設備區域的環境下，是一個潛在的重大安全隱患。
為了確保半導體制造過程中的氣體安全，實施有效的氣體監測方案至關重要。常見的監測目標氣體包括可燃性氣體（如甲烷、硅烷）和有毒有害氣體（如氯化氫、氟化氫、溴化氫等）?。
理研計器半導體濺射工藝氣體監測方案
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