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高純氮氣主要用于制造高質量的氮化物|包頭瓶裝氣體

發布日期:2017-12-14 作者: 點擊:

高純氮氣主要用于制造高質量的氮化物,這兒比較有代表性的氮化物有兩種:氮化鎵(GaN)和氮化硅(Si3N4),前者是制造發光二極管的基礎,而后者廣泛應用于太陽能電池(光伏)、集成電路(IC)、液晶顯示器(LCD)的制造,可以說高純氮氣是當今電子工業的原材料,是電子工業的大宗特氣。

高純氮

  先來看一下高純氮氣應用中的一個具體反應:

  (1)??? Ga(CH3)3 + NH3 → GaN + 4CH4;

  這個反應是制造發光二極管(LED)外延芯片的氮化鎵的基礎,反應在昂貴的MOCVD (有機金屬氣相沉積)設備上完成,

  再來看一下高純氨應用中的另一個反應:

  (2)??? 3SiH4 + 4NH3 → Si3N4 + 12H2;

  這個反應是制造氮化硅(Si3N4 )的基礎,由硅烷(SiH4 )和高純氨在較高溫度下,在化學氣相沉積(CVD)設備中進行反應,它被廣泛用于硅基半導體的所有產業,包括太陽能電池(光伏)、集成電路(IC)、液晶顯示器(LCD)等制造業。此反應也需要相當數量的高純氨氣,實際上也只有非常少量的氨氣參與了以上的反應(數量級上的估計只有百分之一),其中一個原因也是為了減少 SiH4 的使用量,因為硅烷也比高純氨要昂貴,沒有反應的氨也只有進入了尾氣。

  為什么要使用高純氮氣?

  假如氨的純度不夠高,例如氨中混有一些水(水是很有可能跟氨相結合的,而且我們的環境中到處都是水),會有什么后果呢?

  對于氮化硅的合成和以硅材料為基礎的電子產業的影響

  那么在上面的反應 (2) 中,硅烷就會先跟水(而不是跟氨)反應:

  (3)??? SiH4 + 2H2O → SiO2 + 3H2;

  實際上,只要氨中水含量達到萬分之一,反應 (3) 就基本上代替了反應 (2),反應生成的是 SiO2 而不是 Si3N4,這樣就無法滿足電子工業嚴格要求的工藝條件了,其中的原因在于水比氨更容易與硅烷反應結合,生成的 SiO2 也比 Si3N4 更穩定。目前相關太陽能電池(光伏)、集成電路(IC)、液晶顯示器(LCD)等產業,對高純氮氣的純度要求通常在 99.9999%(6N)以上。

  對于氮化鎵的合成和以氮化鎵為基礎的 LED 芯片的影響

  那么對于 LED 的制造又是怎樣呢?由反應 (1) 生成的氮化鎵(一種化合物半導體材料)是制造 LED 的基礎(就像硅作為單質半導體是制造集成電路的基礎),但是光有氮化鎵是遠遠不夠的,實際上,現在以氮化鎵為基礎制造的 LED 的結構已經非常復雜的,光看一看 LED 芯片制造公司往往都有多位博士在負責工藝就可以想象了。

  (4)??? 2SiH4 + 2NH3 → 2SiN + 7H2;

  也就是說,在摻雜時,反應 (4) 生產的 SiN 代替了反應 (1) 生成的 GaN,注意,這兒生成的是 SiN 而不是 Si3N4, SiN 可以貢獻一個電子而 Si3N4 不能貢獻電子,這樣一部分 SiN 代替了 GaN 就形成了 n 型 GaN,但是假如高純氨中含有水,那么反應將首先生成穩定的 SiO2 而不是 SiN (原因還是在于水比氨更容易與硅烷反應結合,生成的 SiO2 也比 SiN 更穩定),而SiO2也是不能貢獻電子的,這樣也無法獲得 n 型 GaN。

  制造 p 型 GaN 所用的方法也是類似的,我們不進行詳細的討論,結論是:生成 MgN 代替了 GaN,可以貢獻一個空穴,假如高純氨中含有水,那么將生成更穩定的 MgO 而不是 MgN,因此也無法貢獻空穴。推薦閱讀:高純氮氣是多領域中不可或缺的氣體

  假如要想讓 LED的發光增強,那就要設法增多其中的電子和空穴(稱為載流子),這樣就對高純氮氣的純度提出了非常高的要求,實驗已經證明,高純氨中的含水量會大大地影響到 LED 的亮度,原因就在于高純氮氣中的微量水會大大降低載流子的濃度。目前在 LED 制造中,對高純氮氣的純度要求是 99.99999% (7N)以上。

  使用不純的高純氮氣,更具體地說,含水的氨, 在芯片制造中就會生成更穩定的氧化物而不是氮化物 ,從而降低甚至摧毀芯片的性能。實際上,在電子工業中,在一定程度上可以說,水差不多是有害的物質了,因此人們對工藝中用到的其他氣體(如氮氣、氫氣、氬氣等)的含水量也有非常高的要求,幸運的是這些氣體(都是非極性分子)跟水的作用都比較弱,它們的提純和含水量檢測都比較容易。但是氨與它們不同,氨和水的相互作用太強了。

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關鍵詞:包頭瓶裝氣體,氮氣,高純氮

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