电子工业的“血液”：电子特气中的钨

　　郭勇

　　用于白炽灯的灯丝的金属钨，如何同半导体电子特气联系在一起，这一切都源于神奇的化学变化……

　　芯片制造的“血液”

　　对于一颗芯片来说，最重要的材料当然是硅，除此之外，市场规模排名第二的就是电子特气，占晶圆制造成本的14.1%，被誉为芯片制造的“血液”。

　　半导体是一个纯净的事业，所使用的硅片纯度需要达到9—11N，晶圆制造的过程也需要在一个纯净的环境里，对电子特气的纯度要求也要在6N 以上，电子特气主要应用于光刻、刻蚀、成膜、清洗、掺杂、沉积等工艺环节，其中在刻蚀工艺和掺杂工艺中的应用占比分别高达36%和34%。作为关键性材料，特种气体的产品质量对下游产业的正常生产影响巨大。如果晶圆加工环节所使用的气体发生质量问题，将导致整条生产线产品报废，造成巨额损失。

　　而电子特气本身是一个综合大类，其从分类上来说，主要分为三氟化氮等清洗气体、六氟化钨等金属气相沉积气体等，六氟化钨是全球半导体市场规模第二大的电子特气品种，主要用于逻辑和存储芯片生产流程中的化学气相沉积工艺，其沉积形成的钨导体膜可用于通孔和接触孔的互连线，它也就成为了今天故事的主角。

　　从金属到气体的神奇变化

　　六氟化钨属于钨化工产品，其化学式为WF6，在常温常压下为无色气体，属于电子特种气体中的一类， 是目前钨的氟化物中唯一稳定并被工业化生产的品种。

　　六氟化钨的主要原料是金属钨粉末和氟化氢，前者通常通过钨矿石的提取和精炼过程得到，而氟化氢则是通过氢氟酸和硫酸的反应制备而成。制备时将高纯的氟气通过原料压缩机加压后送入沸腾炉反应器，同时，高纯的钨粉通过螺旋输送器送入沸腾炉反应器。在高温条件下，钨粉与氟气发生化学反应，产生粗六氟化钨高温气体，接下来需要进一步的纯化处理，包括去除氧气、氮气、二氧化碳、氟化氢和金属粒子等杂质。这些杂质对成膜电性参数及其质量具有重要影响。

　　高纯度的六氟化钨通常用于半导体材料的制备，如化学气相沉积（CVD）和原子层沉积（ALD）工艺，这些工艺需要高纯度的WF6 以确保最终半导体元器件产品的性能。

　　钨金属需要制备成电子特气六氟化钨后才能在半导体中使用。本质上来说，钨金属与铜、钽等金属作用一致，皆为半导体衬底材料上面的薄膜材料，区别在于沉积方式的不同。铜金属多以物理气相沉积（溅射铜靶）、大马士革电镀的方式进行薄膜沉积，钽金属也以物理气相沉积（溅射钽靶）的方式为主；而钨金属则使用化学气相沉积（CVD），即通过产生化学反应以沉积金属的方式进行沉积，六氟化钨便是 CVD 的重要原材料。由于钨金属的导电性能较好，在半导体中多以电极、导电浆糊的形式发挥作用，六氟化钨结合CVD 的方法将使钨金属完成沉积。

　　高技术壁垒的电子特气

　　半导体电子特气行业具有较高的技术壁垒。

　　为了保证半导体器件的质量与成品率，特种气体产品要同时满足“超纯”和“超净”的要求，“超纯”要求气体纯度达到4.5N、5N 甚至 6N、7N（N 是 Nine 的简写，几个 N 就代表有几个 9，例如 3N的纯度为 99.9%），“超净”即要求严格控制粒子与金属杂质的含量。作为特种气体的核心参数，纯度每提升一个 N，粒子、金属杂质含量浓度每降低一个数量级，都将带来工艺复杂度和难度的显著提升。

　　对于混合气而言，配比的精度是核心参数，随着产品组分的增加、配制精度的上升，客户常要求气体供应商能够对多种 ppm（part per million，百万分之）乃至 ppb（part perbilion，十亿分之）级浓度的气体组分进行精细操作，其配制过程的难度与复杂程度也显著增大。

　　我国电子特气起步较晚，随着国家政策扶持及国内自主创新能力提升，行业进入加速发展期，目前国内厂商攻克了成膜、光刻、刻蚀、清洗与离子注入等步骤的部分难点，其余均依赖进口，进口电子气体价格昂贵、运输不便，使得电子特气国产替代需求强烈、空间广阔。

　　下期，我们将为大家介绍半导体“键合丝”上的金、银贵金属！

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