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高纯氮气主要用于制造高质量的氮化物|包头瓶装气体

发布日期:2017-12-14 作者: 点击:

高纯氮气主要用于制造高质量的氮化物,这儿比较有代表性的氮化物有两种:氮化镓(GaN)和氮化硅(Si3N4),前者是制造发光二极管的基础,而后者广泛应用于太阳能电池(光伏)、集成电路(IC)、液晶显示器(LCD)的制造,可以说高纯氮气是当今电子工业必不可少的原材料,是电子工业的大宗特气。

高纯氮

  先来看一下高纯氮气应用中的一个具体反应:

  (1)    Ga(CH3)3 + NH3 → GaN + 4CH4;

  这个反应是制造发光二极管(LED)外延芯片的氮化镓的基础,反应在昂贵的MOCVD (有机金属气相沉积)设备上完成,

  再来看一下高纯氨应用中的另一个反应:

  (2)    3SiH4 + 4NH3 → Si3N4 + 12H2;

  这个反应是制造氮化硅(Si3N4 )的基础,由硅烷(SiH4 )和高纯氨在较高温度下,在化学气相沉积(CVD)设备中进行反应,它被广泛用于硅基半导体的所有产业,包括太阳能电池(光伏)、集成电路(IC)、液晶显示器(LCD)等制造业。此反应也需要相当数量的高纯氨气,实际上也只有非常少量的氨气参与了以上的反应(数量级上的估计只有百分之一),其中一个原因也是为了减少 SiH4 的使用量,因为硅烷也比高纯氨要昂贵,没有反应的氨也只有进入了尾气。

  为什么要使用高纯氮气?

  假如氨的纯度不够高,例如氨中混有一些水(水是很有可能跟氨相结合的,而且我们的环境中到处都是水),会有什么后果呢?

  对于氮化硅的合成和以硅材料为基础的电子产业的影响

  那么在上面的反应 (2) 中,硅烷就会先跟水(而不是跟氨)反应:

  (3)    SiH4 + 2H2O → SiO2 + 3H2;

  实际上,只要氨中水含量达到万分之一,反应 (3) 就基本上完全代替了反应 (2),反应生成的是 SiO2 而不是 Si3N4,这样就无法满足电子工业严格要求的工艺条件了,其中的原因在于水比氨更容易与硅烷反应结合,生成的 SiO2 也比 Si3N4 更稳定。目前相关太阳能电池(光伏)、集成电路(IC)、液晶显示器(LCD)等产业,对高纯氮气的纯度要求通常在 99.9999%(6N)以上。

  对于氮化镓的合成和以氮化镓为基础的 LED 芯片的影响

  那么对于 LED 的制造又是怎样呢?由反应 (1) 生成的氮化镓(一种化合物半导体材料)是制造 LED 的基础(就像硅作为单质半导体是制造集成电路的基础),但是光有氮化镓是远远不够的,实际上,现在以氮化镓为基础制造的 LED 的结构已经非常复杂的,光看一看 LED 芯片制造公司往往都有多位博士在负责工艺就可以想象了。

  (4)    2SiH4 + 2NH3 → 2SiN + 7H2;

  也就是说,在掺杂时,反应 (4) 生产的 SiN 代替了反应 (1) 生成的 GaN,注意,这儿生成的是 SiN 而不是 Si3N4, SiN 可以贡献一个电子而 Si3N4 不能贡献电子,这样一部分 SiN 代替了 GaN 就形成了 n 型 GaN,但是假如高纯氨中含有水,那么反应将首先生成稳定的 SiO2 而不是 SiN (原因还是在于水比氨更容易与硅烷反应结合,生成的 SiO2 也比 SiN 更稳定),而SiO2也是不能贡献电子的,这样也无法获得 n 型 GaN。

  制造 p 型 GaN 所用的方法也是类似的,我们不进行详细的讨论,最后的结论是:生成 MgN 代替了 GaN,可以贡献一个空穴,假如高纯氨中含有水,那么将生成更稳定的 MgO 而不是 MgN,因此也无法贡献空穴。推荐阅读:高纯氮气是多领域中不可或缺的气体

  假如要想让 LED的发光增强,那就要设法增多其中的电子和空穴(称为载流子),这样就对高纯氮气的纯度提出了非常高的要求,实验已经证明,高纯氨中的含水量会极大地影响到 LED 的亮度,原因就在于高纯氮气中的微量水会大大降低载流子的浓度。目前在 LED 制造中,对高纯氮气的纯度要求是 99.99999% (7N)以上。

  使用不纯的高纯氮气,更具体地说,含水的氨, 在芯片制造中就会生成更稳定的氧化物而不是氮化物 ,从而降低甚至摧毁芯片的性能。实际上,在电子工业中,在一定程度上可以说,水差不多是最有害的物质了,因此人们对工艺中用到的其他气体(如氮气、氢气、氩气等)的含水量也有非常高的要求,幸运的是这些气体(都是非极性分子)跟水的作用都比较弱,它们的提纯和含水量检测都比较容易。但是氨与它们完全不同,氨和水的相互作用太强了。

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关键词:包头瓶装气体,氮气,高纯氮

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