随着大规模集成电路的迅速发展，对气体纯度的要求越来越高。气体纯度是直接影响器件质量的重要因素。高纯气体是集成电路、光伏、光纤和发光二极管等产业的最重要的基础材料，本节主要以集成电路为例，同时兼顾了光伏、光纤和发光二极管等领域，因为都涉及化学气相沉积、刻蚀、离子注入等诸多工艺。

一、高纯气体在半导体中的具体应用分类

高纯气体在半导体的应用有外延晶体生长气、热气化气、外延气、掺杂气、扩散气、化学气相沉积气、喷射气、离子注入气、等离子蚀刻气、载气/清洗气、光刻气、退火气、焊接气、烧结气和平衡气等。

二、气体纯度和杂质及其表示方法

电子工业所用气体分为单质气体(如氢、氧、氮……)、多元气体(硅烷、氨、氯化氢)和混合气体(硅烷和氢、磷烷和氮……)。气体纯度的含义是指除基本气体外，剩余皆为杂质。气体纯度的等级有多种，如普通纯、高纯和特纯(超纯)。所谓电子纯是指具体的半导体器件应用而言的。至于说普通纯、高纯和特纯气体是几个“9”，则与具体杂质含量多少有关。气体纯度表示通常有两类：

对化学家来说，一般用99％、99.9％、99.99％、99.999％、99.9999％、99.99999％、99.999999％等纯度表示。那么其余1％、0.1％、0.01％、0.001％、0.0001%、0.00001%、0.000001％为杂质。

物理学家根据上述几个“9”的说法采用简便的方法，即n个“9”的说法。如上面的纯度可以分别写成2N、3N、4N、5N、6N、7N、8N。如写成4N8或5N5，这时纯度分别为99.998％和99.9995％；如果写成5N85，则纯度为99.99985％。

关于杂质含量有常量、微量和痕量表示，对于低于微量和痕量杂质一般指ppm～ppb级范围。具体的杂质浓度是：lppm=10^-4％; 1ppb=10^-7％; 1ppt＝10^-10％。

三、气体中的杂质分类

气体中的杂质按化学性质分类有氧化性质气体(如氧、二氧化碳、水)、还原性质气体(如氢、一氧化碳)和不活泼性气体或惰性气体(如氮、氩、氦)。如果杂质按形态分，杂质有气态杂质(如氧、氮、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、氢)、液态气体杂质(如水)和固态气体杂质(如颗粒或尘埃)。

水是地球上和生命体中最丰富的物质，但是人们对它的认识还远远不够。水的物化性质和它的较小的相对分子质量与它预期的性质有显著的差异。在常温常压下水是液体，又是最通用的溶剂。因为高的介电常数而成为离子化溶剂。水分子是一个非线形分子，使得H－O－H的键角不是109^o28'，而是104^o45'。这时水分子的内力没有得到完全的补偿，剩余内力使得电荷分布不对称，造成水分子的极性很大。水的偶极矩为1.84D(1D=3.334×10^-30 C·m²)。水分子因氢键作用，多以二聚体、三聚体或多聚体(H₂O)_n形式存在。当水加热时，要消耗多的热量先使聚合体解离，然后单聚体水再分离，这时可以表示为(H₂O)_n=nH₂O。

颗粒即所谓尘埃，它的化学成分很复杂，其存在形态有烟气(0.01～1um)；油烟(0.5～1um)；飞灰(1～100um)；粉尘(1～10⁴um);雾滴(50～5×10²um)；喷雾(10～5×10³um)；雨滴(5×103～5×10⁴um)；细沙(2×10～2×10²um)；粗砂(2×10²～2×10³ um)；沙粒(2×10³～1×10⁵um)。颗粒的化学成分因环境而异，表1.7为实验室内大气对硅和硝酸污染情况的结果。

表1.7  实验室内大气对硅和硝酸的污染/×10^-9

A为富集后立即分析；B为暴露7天分析

从表1.7可知大气颗粒以常见元素Al、Fe、Ca、Mg等为主。金属或非金属无机氧化物，如氧化硅、氧化铁、氧化钙、单质如铜、铝等，也可能是有机化合物。

四、大规模集成电路对气体纯度的要求

在大规模集成电路芯片生产过程中，气体中的气、液(水)和固态杂质均构成对芯片质量的重要影响。一般要求气体中的颗粒粒径大小为电路设计的最小线宽的十分之一以下(颗粒粒径/线宽≤10)。

颗粒污染还包括以下要求：铬板(chrome plate)等精密机加工件：＜20ug/cm²；硬盘驱动器：＜5ug/cm²；芯片：＜1ug/cm²等。

在砷化镓液相外延制备激光器件过程中，常用气体主要是氢气和砷烷，这两种气体中主要有害杂质是氧、碳的化合物，如水、氧、一氧化碳、二氧化碳、甲烷等。这些杂质均造成器件的退化和寿命的缩短。例如当这两种气体的氧含量＜0.03ppm和露点在＜-90℃时，制造的器件寿命可以达到104小时以上；而当露点为＜60℃时，外延层形成“暗礁”，造成晶格缺陷；当氧达到＞75ppm时，则形成多坑外延层。如果氢气中含氮＞1000ppm时，外延层为针状结构。

五、气体中杂质对半导体器件(光伏、光纤、电光源……)的影响

不同用途的电子气对杂质组分及其最低含量的要求亦各不相同。一般微量氧、水分、碳氧化合物(CO、CO₂)、碳氢化合物(CmHn)和颗粒(或灰尘)均构成有害杂质。

气体中微量氧和水的存在，在高温下合成的半导体器件表面容易生成氧化膜，这是影响器件寿命和性能的重要因素，气体中只要有几个ppb含量的水，就可能导致硅片上出现瑕疵；气体中含碳化合物是造成半导体器件的电学参数漏电的重要因素；空气中的颗粒则引起半导体器件晶格缺陷、耐压不良、漏电、断线等。硅的外延是高质量集成电路生产中一个重要步骤，沉积层的杂质水平、厚度和微结构的完整性取决于沉积过程所使用气体的纯度。表1.8显示了750℃低温(一般外延工艺是在800℃以上)选择性外延沉积中氢气杂质浓度对硅沉积膜性能的影响。

表1.8  氢气纯度对硅外延工艺的影响

气体作为集成电路的重要基础原材料，电子器件的成品率、质量的好劣很大程度取决于此。以下是作者在总结文献基础上归纳的表1.9和表1.10。

表1.9  集成电路对痕量水的要求

*原文只用PPM表示，露点值是作者注

水中氢键的存在，使得水在不锈钢表面不易脱附，见图1. l0。

图1.10  不锈钢表面上吸附水的示意图

但是，氢键有两个与范德华力不同地方是：有方向性和饱和性，水、氨、醇是典型的氢键流体。水中氢键的存在造成高纯HCI、HF、NH₃气体中痕量水分析的难度。氢键的强度以氟与氢的键最大，其次是氧氢键和氮氢键，其值分别为28.0kJ/mol、18.8kJ/mol、5.4 kJ/mol。

表1.10  集成电路对颗粒的要求

高纯气体中杂质的污染主要是空气的污染，了解空气的成分对杂质分析是关键。表1.11为大气组成。

表1.11  大气组成

信息技术对高纯气体(电子气)要求越来越高，其中常用的有氢气、氧气、氮气、氩气、氦气、硅烷、磷烷、硼烷、砷烷、氨、三甲基硼、气态氟化物、气态氯化物等，气体纯度要求为5N、6N、7N。这时要求对电子气中杂质分析灵敏度将是ppb级。而电子气中有害杂质主要表现为氧和碳的化合物，如水、氧、一氧化碳、二氧化碳、甲烷等。

高灵敏度分析仪器和分析方法是检测杂质的重要手段，根据检测器对杂质灵敏度的差异。对上述电子气H₂、O₂、N₂、Ar、He、SiH₄、PH₃、B₂H₆、AsH₃、NH₃、B(CH₃)₃、气态氟化物(各种氟利昂或氟碳化物)、气态氯化物、氟氯碳化合物等气体中有害杂质O₂、H₂O、CO、CO₂、CH₄等进行分析。为了对各种电子气中有害杂质进行分析，除了基体对分析不干扰外，必须对大量电子气(基体)和杂质进行分离。在浓缩取样过程中选择不同吸附剂，从而达到避免基体对杂质分析的干扰。

实施浓缩取样必须充分了解浓缩取样器内的吸附剂的化学性能以及它对各种气态基体和杂质的吸附特性。利用吸附剂对杂质和分析气的不同的吸附特性，达到分离大量分析气(基体)，而把杂质气体留存在取样器内。这一点对分析痕量易吸附的杂质气(重组分)和大量不易吸附的分析气(轻组分)时尤为重要。利用这一原理，可以实施对6～7N纯度分析气中的气态杂质的分析。