干货！半导体溅射工艺有毒有害气体检测方案

半导体溅射工艺使用的电子气体中有一些是危险气体

在半导体制造领域，溅射工艺是一项至关重要的技术，它对半导体器件的性能和质量有着深远影响。

半导体溅射工艺被广泛应用于半导体器件的加工和制备：

半导体器件制造：半导体器件中的金属线条、电容、电阻等部分普遍采用半导体溅射工艺进行制造；

太阳能电池制造：在太阳能电池制造过程中，半导体溅射工艺可以用于制备电池表面的金属电极以及其它稀材料的薄膜。这些薄膜可以提高太阳能电池的转换效率；

磁性记录媒介：在磁性记录媒介制造过程中，半导体溅射工艺可以制备出磁性材料的薄膜，以便记录信息；

其它领域：半导体溅射工艺还被广泛应用于表面涂料、光学薄膜、化学传感器等领域；

半导体溅射工艺

▲  半导体溅射工艺（Sputtering）是一种常用的薄膜制备技术，也称为物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）。该技术通过在真空环境下，将高能粒子射向靶材，使靶材表面的原子或分子得到解离和释放，然后在衬底表面形成一层物质膜，从而实现对衬底表面的改性和薄膜制备。 

半导体溅射工艺流程

· 准备靶材和衬底：所选靶材和衬底要求质量纯度高、表面平整度好。

· 进行真空抽气：半导体溅射工艺需要在真空环境下进行。进行真空抽气可以将系统内空气和杂质排除，保证工艺质量。

· 进行气体等离子体放电：将气体注入反应室，产生等离子体放电，使前方的气体活化。

· 开启溅射源：通过电极和磁场等手段，将高能粒子加速，并使其射向靶材表面，使靶材表面的原子或分子得到解离和释放。

· 沉积：通过溅射作用，将释放的原子或分子沉积到衬底表面上。

· 改性：通过改变溅射源、气体组分和衬底电压等工艺参数来控制膜厚和膜质量，实现对衬底表面的改性。

溅射气体有工作气体及反应气体两大类：

1工作气体

在真空室中，当压力为0.1~1Pa时，受强电场的作用而电离为正离子和电子。由于异性相吸，正离子受阴极负高压的吸引以巨大的能量轰击靶材而产生溅射。一般采用惰性气体，工业生产通常采用氩作为工作气体。

2反应气体

为了产生氧化物、氮化物、硫化物和碳化物膜层，在进行溅射时，溅射室分别加入氧气、氮气、硫化氢、甲烷等气体，纯金属靶材溅射出来的原子与这些气体进行化学反应，生成氧化物或氮化物、硫化物、碳化物，然后沉积在基片表面而形成氧化物、氮化物、硫化物或碳化物膜层。这些气体称为反应气体。

在半导体溅射过程中，使用的电子气体中有一些是危险气体。例如，氟气是一种常用的气体，但它具有剧毒性和腐蚀性，对人体和环境都具有危害。氯气也是一种有毒气体，长时间接触或高浓度接触会对健康造成严重影响。此外，二氧化氮和氨气等气体也具有一定的危险性。

半导体溅射工艺中应用气体的特性

在半导体溅射工艺中，应用的气体存在多种危险特性，这些危险气体的特性需要被严格监测和管理，以确保操作人员的安全和工艺的稳定性。

 ①   易燃性  
氢气（H₂）：氢气是一种常见的用于某些特殊溅射工艺或设备清洗的气体。它具有极易燃的特性，其燃烧范围很宽，在空气中的体积分数为4.0% - 75.6%时，遇到火源就会发生剧烈燃烧。在半导体制造环境中，即使是一个小的静电火花或者高温表面，都可能引发氢气燃烧，导致火灾甚至爆炸。例如，当氢气泄漏到一个封闭的、有潜在火源的空间（如电气设备附近）时，危险系数会急剧上升。

硅烷（SiH₄）：硅烷常用于化学气相沉积（CVD）工艺，该工艺有时与溅射工艺协同用于半导体制造。硅烷也是高度易燃气体，它在空气中能自燃，因为它与空气中的氧气反应活性很高。其自燃温度相对较低，大约在420℃左右，一旦泄漏，很容易被周围环境中的热源（如设备运行产生的热量）点燃，引发火灾。

 ②   易爆性   
乙炔（C₂H₂）：在一些特殊的半导体表面处理工艺中可能会用到乙炔。乙炔属于易燃易爆气体，它的爆炸极限范围比较宽，在空气中体积分数为2.5% - 82%时都可能发生爆炸。在含有乙炔的系统中，如果气体压力过高、温度异常或者遇到强烈的震动等情况，都可能引发爆炸。特别是在半导体制造车间这种存在大量电气设备和精密仪器的场所，乙炔爆炸可能会造成严重的设备损坏和人员伤亡。

某些混合气体：例如，当氢气与氧气按照一定比例混合时，形成的混合气体具有极高的爆炸危险性。这种混合气体在遇到火源、静电放电或者能量冲击时，会瞬间发生剧烈爆炸。在溅射工艺中，如果气体输送系统出现故障，导致气体混合比例失控，就可能形成这种易爆的混合气体环境。

 ③   毒性   
砷化氢（AsH₃）：在半导体制造中，砷化氢用于一些化合物半导体材料的制备过程。它是一种剧毒气体，即使吸入少量，也会对人体造成严重的危害。砷化氢进入人体后，会与红细胞中的血红蛋白结合，破坏红细胞的正常功能，导致溶血现象。长期暴露在低浓度的砷化氢环境中，也可能会引起慢性中毒，对人体的肝脏、肾脏等器官造成损害。

磷化氢（PH₃）：磷化氢常用于离子注入工艺，它也是一种有毒气体。磷化氢主要作用于人体的呼吸系统和神经系统，吸入高浓度的磷化氢会引起头晕、头痛、恶心、呕吐等症状，严重时可能导致呼吸困难、昏迷甚至死亡。而且，磷化氢中毒的症状可能会在接触后的一段时间内逐渐显现，具有一定的隐蔽性。

 ④   窒息性  
氮气（N₂）和氩气（Ar）：氮气和氩气是半导体溅射工艺中最常用的气体。虽然它们本身无毒，但在高浓度环境下，会取代空气中的氧气，导致人体缺氧窒息。例如，在一个封闭的溅射腔室或者气体储存区域，如果氮气或氩气泄漏并大量积聚，当氧气含量降低到一定程度（一般认为氧气含量低于18%）时，操作人员进入该区域就可能会出现头晕、呼吸困难等窒息症状。这在半导体制造车间这种人员可能频繁进出气体设备区域的环境下，是一个潜在的重大安全隐患。

为了确保半导体制造过程中的气体安全，实施有效的气体监测方案至关重要。常见的监测目标气体包括可燃性气体（如甲烷、硅烷）和有毒有害气体（如氯化氢、氟化氢、溴化氢等）‌。

理研计器半导体溅射工艺气体监测方案

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