Série Mélanges de gaz industriels : Progrès techniques dans les applications électroniques et semi-conductrices

1. Classification des semi-conducteurs Gazest

Les gaz utilisés dans la fabrication des semi-conducteurs peuvent être classés en trois grands groupes en fonction de leur fonction et de leurs exigences de pureté.:

1.1 Gaz en vrac

Les gaz en vrac se caractérisent par des volumes de consommation élevés et des exigences de pureté relativement faibles (généralement 2N-5N), servant de gaz vecteurs, de gaz de purge et de sources de réactions de base :

1.2 Gaz spéciaux

Les gaz spéciaux sont conçus pour des étapes de traitement spécifiques et exigent une pureté élevée (généralement 5N-7N) ainsi qu'un contrôle extrêmement strict des impuretés. Nombre d'entre eux sont toxiques, corrosifs ou inflammables. Les principales catégories sont ::

• Gaz dopants: Pour modifier la conductivité des semi-conducteurs

• Gaz de gravure: Pour les procédés de gravure sèche

• Gaz de dépôt: Pour la formation de couches minces (CVD, ALD)

• Gaz propres de la chambre: Pour éliminer les dépôts des chambres de traitement

1.3 Gaz isotopiques

Les gaz isotopiques contiennent des isotopes spécifiques d'éléments et sont utilisés dans des applications de pointe nécessitant des propriétés nucléaires précises. Parmi ceux-ci, on peut citer le ¹¹BF₃ pour les dispositifs résistants aux radiations, le ⁷²GeF₄ pour l'implantation pré-amorphisation et le deutérium (D₂) pour la passivation des transistors.Les exigences de pureté dépassent généralement 6N avec un enrichissement isotopique ≥99%.

---

2. Mélanges de gaz de gravure : chimie et contrôle du procédé

Les procédés de gravure sèche utilisent des espèces réactives générées par plasma pour éliminer la matière avec une grande précision. Le choix du mélange gazeux de gravure détermine la vitesse de gravure, la sélectivité, l'anisotropie et le profil des motifs.

2.1 Gaz de gravure courants et leurs fonctions

2.2 Mélanges de gaz de gravure pour les nœuds avancés

Pour les nœuds technologiques avancés, les mélanges de gaz de gravure binaires et ternaires offrent un contrôle amélioré :

• mélanges CF₄/O₂L'ajout d'oxygène augmente la concentration de radicaux fluorés, améliorant ainsi les vitesses de gravure du SiO₂ tout en améliorant la sélectivité au silicium.

• mélanges HBr/Cl₂/O₂Utilisé pour la gravure de grilles en polysilicium, où le rapport contrôle l'angle de profil et la dimension critique.

• mélanges CHF₃/CF₄: Fournir un dépôt de polymère fluorocarboné ajustable pour la gravure de contact à rapport d'aspect élevé.

Des recherches récentes sur la gravure cryogénique — une technique prometteuse pour les dispositifs de nouvelle génération — utilisent des mélanges gazeux qui se condensent à la surface de la plaquette pour obtenir une anisotropie extrême. La stabilité du procédé exige un contrôle précis de la composition du gaz, qui peut être vérifié à l'aide demélanges de gaz d'étalonnagetraçable aux normes internationales.

---

3. Mélanges gazeux de dépôt : applications CVD et ALD

Le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et le dépôt de couches atomiques (ALD) reposent sur des mélanges gazeux contrôlés avec précision pour former des films minces d'épaisseur et de composition uniformes.

3.1 Dépôt de films à base de silicium

Silane (SiH₄)est la principale source de silicium pour le dépôt CVD de films de polysilicium et de dioxyde de silicium. Pour la croissance épitaxiale,dichlorosilane (SiH₂Cl₂)offre un meilleur contrôle à des températures plus bassesLes développements récents comprennentdisilane (Si₂H₆)pour l'épitaxie à basse température et les applications de nœuds avancés. En 2025, Yantai Wanhua Electronic Materials a réalisé la production en série de disilane de haute pureté (>99,998 %, 4,8N), un matériau essentiel pour les procédés inférieurs à 14 nm et l'empilement de puces NAND 3D..

Mélanges gazeux de dépôtcombinent généralement :

• Précurseur de silicium (SiH₄, SiH₂Cl₂, Si₂H₆)

• Gaz réactif (O₂ pour SiO₂, NH₃ pour Si₃N₄)

• Gaz vecteur (Ar ou N₂ pour la dilution et la stabilisation du plasma)

• Gaz dopant (PH₃ pour le type n, B₂H₆ pour le type p) si nécessaire

3.2 Dépôt métallique

Hexafluorure de tungstène (WF₆)Le WF₆ est utilisé pour la métallisation des plots et des grilles en tungstène, généralement mélangé à de l'hydrogène ou du silane comme agent réducteur. Les exigences de pureté du WF₆ varient de 6N à 7N, car les impuretés affectent directement la résistivité et l'adhérence du film..

3.3 Mélanges gazeux PECVD

Le procédé CVD assisté par plasma (PECVD) permet un dépôt à basse température grâce à des formulations de gaz précises.:

La composition du gaz influe directement sur les propriétés du film, notamment son indice de réfraction, ses contraintes et sa résistance à la gravure. Une vérification analytique est effectuée à l'aide degaz étalons traçables au NISTassure la constance d'un lot à l'autre.

---

4. Mélanges de gaz dopants pour l'implantation et la diffusion d'ions

L'introduction contrôlée de dopants est fondamentale pour la fabrication des dispositifs semi-conducteurs. Les gaz dopants doivent fournir des concentrations précises d'impuretés afin de créer des régions de type n ou de type p..

4.1 Dopants de type N

La phosphine et l'arsine sont généralement fournies sous forme de mélanges dilués dans l'hydrogène ou l'azote pour des raisons de sécurité et de contrôle du procédé. Par exemple, une solution à 1 % de PH₃ dans H₂ est couramment utilisée pour l'implantation ionique. La précision de ces mélanges dilués influe directement sur l'uniformité du dopage sur la plaquette.

4.2 Dopants de type P

mélanges de diboraneUne attention particulière doit être portée à la stabilité des cylindres, car le B₂H₆ peut se décomposer avec le temps. Les fournisseurs doivent démontrer la stabilité à long terme par des analyses périodiques utilisantmélanges de gaz de référence certifiés.

---

5. Exigences de pureté et contrôle des impuretés

5.1 Normes de pureté ultra-élevées

La transition vers les nœuds technologiques avancés a fait grimper les exigences de pureté à des niveaux sans précédent. La norme nationale chinoise GB/T 3634.2-2025, récemment publiée et relative à l'hydrogène ultra-pur (applicable en mai 2026), illustre parfaitement ces exigences.:

• Pureté de l'hydrogène : ≥99,9999 % (6N)

• Impuretés totales : ≤ 1,0 ppm

• Limites d'impuretés individuelles :

  • Oxygène (O₂):

  • Monoxyde de carbone (CO) :

  • Dioxyde de carbone (CO₂):

  • Argon (Ar) :

  • Azote (N₂) :

  • Humidité (H₂O) :

  • Hydrocarbures totaux :

Ces exigences de l'ordre du ppb sont dictées par des mécanismes de défaillance spécifiques :

• Des traces d'oxygène ou d'humidité provoquent l'oxydation du silicium lors de processus critiques.

• Les impuretés à base de carbone forment des dépôts qui affectent les performances du dispositif.

• Les particules métalliques peuvent provoquer des courts-circuits ou des fuites de courant.

5.2 Contrôle des impuretés métalliques

Outre les impuretés gazeuses, une contamination métallique à des concentrations de l'ordre du ppb peut dégrader les performances des dispositifs. Des techniques analytiques avancées, telles que l'analyse par échange de gaz couplée à la spectrométrie de masse à plasma à couplage inductif (GED-ICP-MS), permettent l'analyse directe des impuretés métalliques dans les gaz spéciaux..

La méthode GED-ICP-MS offre des avantages significatifs par rapport aux techniques d'impinger traditionnelles :

• Limites de détection améliorées de 10 à 100 fois

• Élimination de la contamination lors de la préparation des échantillons

• Capacité à détecter des nanoparticules aussi petites que quelques nanomètres

• Capacité de surveillance en temps réel

L'étalonnage de ces systèmes analytiques avancés nécessitemélanges gazeux standardavec des concentrations certifiées en oligo-éléments.

---

6. Analyse des gaz et assurance qualité

6.1 Méthodes analytiques pour les gaz électroniques

La détermination précise de la composition des gaz et des niveaux d'impuretés nécessite des techniques analytiques sophistiquées :

Pour l'analyse de l'hydrogène ultra-pur, la norme GB/T 3634.2-2025 spécifie:

• Oxygène : Méthode électrochimique (GB/T 6285)

• Chromatographie en phase gazeuse à ionisation Argon/Nitre: Hélium (GB/T 28726)

• Humidité : Spectroscopie d'absorption par cavité résonante (GB/T 5832.3)

• Hydrocarbures totaux : Chromatographie en phase gazeuse à ionisation de flamme (GB/T 8984)

6.2 Traitement des données de pureté

La norme récemment publiéeGB/T 38521-2025 « Analyse des gaz — Analyse de pureté et traitement des données de pureté »(en vigueur à compter de mars 2026) spécifie les exigences relatives à l'analyse de pureté des gaz utilisés dans la préparation des mélanges de gaz d'étalonnage.Cette norme met l'accent sur la traçabilité aux instituts nationaux de métrologie et sur une évaluation appropriée de l'incertitude.

6.3 Mélanges de gaz d'étalonnage pour instruments analytiques

Tous les instruments d'analyse nécessitent un étalonnage régulier à l'aide de matériaux de référence certifiés. Pour l'analyse des gaz, cela signifiemélanges de gaz d'étalonnageavec une traçabilité documentée aux étalons primaires. La version mise à jourISO 6143:2025 « Analyse des gaz — Méthodes comparatives pour la détermination et le contrôle de la composition des mélanges de gaz d'étalonnage »spécifie les méthodes de détermination de la composition et de calcul de l'incertitude.

---

7. Évolutions récentes du secteur

7.1 Nouvelles normes et réglementations

• GB/T 3634.2-2025Norme relative à l'hydrogène ultra-pur, applicable en mai 2026, établissant des limites d'impuretés de l'ordre du ppb pour l'hydrogène de qualité semi-conducteur.

• GB/T 38521-2025Analyse de pureté et traitement des données pour la préparation des gaz d'étalonnage, en vigueur à compter de mars 2026

• ISO 6143:2025Méthodes de comparaison mises à jour pour la vérification des mélanges de gaz d'étalonnage

7.2 Progrès technologiques

• Commercialisation du disilaneYantai Wanhua a atteint la production en série de disilane 4,8N en 2025, réduisant ainsi sa dépendance aux importations pour les applications de nœuds avancés.

• Systèmes d'analyse en ligneL'Institut de physique chimique de Dalian a mis au point un analyseur d'hydrogène en ligne à ultra-haute pureté, capable d'analyser simultanément le gaz d'alimentation et le gaz produit, à des concentrations allant du ppm au ppb.

• Analyse directe des gazLa technologie GED-ICP-MS permet la surveillance en temps réel des impuretés métalliques sans préparation d'échantillon, avec des applications démontrées pour les gaz de procédé CO et HCl.

7.3 Conférences à venir

• SEMICON Chine 2026(Mars) : Forum sur les technologies des gaz électroniques axé sur les précurseurs et les gaz spéciaux pour les procédés avancés

• Conférence mondiale sur le gaz 2026(Mai, Séoul) : Sessions sur les gaz de haute pureté pour les applications semi-conducteurs

---

8. Tendances futures des gaz spéciaux pour l'électronique

8.1 Configuration requise pour les nœuds avancés

À mesure que la finesse de gravure des dispositifs diminue en dessous de 3 nm, de nouveaux défis émergent :

• Le contrôle au niveau atomique exige une pureté du gaz de l'ordre de quelques ppb.

• Les nouveaux matériaux (diélectriques à constante diélectrique élevée, matériaux 2D) nécessitent de nouveaux gaz précurseurs.

• La lithographie ultraviolette extrême (EUV) nécessite des mélanges gazeux spécifiques pour la protection de la pellicule et le nettoyage des optiques.

8.2 Initiatives de développement durable

L'industrie des semi-conducteurs se concentre de plus en plus sur la réduction de son impact environnemental :

• Développement de gaz de gravure alternatifs à plus faible potentiel de réchauffement climatique

• Systèmes de réduction des émissions de composés perfluorés (PFC) au point d'utilisation

• Systèmes de recyclage et de récupération des gaz spéciaux coûteux

8.3 Livraison intelligente de gaz

L'intégration de capteurs et de commandes dans les systèmes de distribution de gaz permet :

• Surveillance de la composition en temps réel au point d'utilisation

• Maintenance prédictive des panneaux et purificateurs de gaz

• Régulation en boucle fermée des mélanges gazeux basée sur la rétroaction du procédé

---

9. Résumé et points techniques à retenir

• Les gaz spéciaux pour l'électronique regroupent 71 produits distincts qui remplissent des fonctions essentielles dans la fabrication des semi-conducteurs..

• Les exigences de pureté continuent de se durcir, l'hydrogène ultra-pur exigeant désormais des impuretés totales ≤ 1 ppm et des impuretés individuelles .

• Les techniques analytiques avancées, notamment la GED-ICP-MS, permettent la détection d'impuretés métalliques à des concentrations de l'ordre du ppb (parties par billion), essentielles pour le contrôle des procédés inférieurs à 10 nm..

• Les récentes mises à jour des normes (GB/T 38521-2025, ISO 6143:2025) mettent l'accent sur la traçabilité et une évaluation appropriée de l'incertitude pour l'analyse des gaz..

• Des fournisseurs dotés de solides capacités analytiques etmélanges de gaz d'étalonnage certifiéssont des partenaires essentiels pour les usines de semi-conducteurs qui exigent une assurance qualité documentée.

• La production nationale de matières premières essentielles, comme le disilane de haute pureté (99,998 %), témoigne des progrès accomplis dans la réduction de la dépendance aux importations..