La produzione di dispositivi a semiconduttore comprende principalmente dispositivi discreti, circuiti integrati e i relativi processi di confezionamento.
La produzione di semiconduttori può essere suddivisa in tre fasi: produzione del materiale del corpo del prodotto, prodottowaferproduzione e assemblaggio dei dispositivi. Tra queste fasi, quella che genera il maggior inquinamento è la produzione dei wafer.
Gli inquinanti si dividono principalmente in acque reflue, gas di scarico e rifiuti solidi.
Processo di produzione dei chip:
wafer di siliciodopo rettifica esterna - pulizia - ossidazione - mascheratura uniforme - fotolitografia - sviluppo - incisione - diffusione, impiantazione ionica - deposizione chimica da fase vapore - lucidatura chimico-meccanica - metallizzazione, ecc.
Acque reflue
In ogni fase del processo di produzione e collaudo dei semiconduttori si genera una grande quantità di acque reflue, principalmente acque reflue acide, acque reflue contenenti ammoniaca e acque reflue organiche.
1. Acque reflue contenenti fluoro:
L'acido fluoridrico è il solvente principale utilizzato nei processi di ossidazione e incisione grazie alle sue proprietà ossidanti e corrosive. Le acque reflue contenenti fluoro derivano principalmente dai processi di diffusione e lucidatura chimico-meccanica nella produzione di chip. L'acido cloridrico viene spesso utilizzato anche nella pulizia dei wafer di silicio e delle relative apparecchiature. Tutti questi processi vengono completati in vasche di incisione o apparecchiature di pulizia dedicate, pertanto le acque reflue contenenti fluoro possono essere scaricate separatamente. In base alla concentrazione, si possono distinguere acque reflue ad alta concentrazione di fluoro e acque reflue a bassa concentrazione di ammoniaca. Generalmente, la concentrazione di ammoniaca nelle acque reflue ad alta concentrazione può raggiungere i 100-1200 mg/L. La maggior parte delle aziende ricicla questa parte delle acque reflue per processi che non richiedono un'elevata qualità dell'acqua.
2. Acque reflue acido-base:
Quasi ogni fase del processo di produzione dei circuiti integrati richiede la pulizia del chip. Attualmente, l'acido solforico e il perossido di idrogeno sono i fluidi di pulizia più comunemente utilizzati nel processo di produzione dei circuiti integrati. Allo stesso tempo, vengono utilizzati anche reagenti acido-base come l'acido nitrico, l'acido cloridrico e l'acqua ammoniacale.
Le acque reflue acido-base del processo produttivo provengono principalmente dalla fase di pulizia del processo di fabbricazione dei chip. Durante il processo di confezionamento, i chip vengono trattati con soluzioni acido-base durante la galvanostegia e l'analisi chimica. Dopo il trattamento, devono essere lavati con acqua pura, generando acque reflue di lavaggio acido-base. Inoltre, reagenti acido-base come idrossido di sodio e acido cloridrico vengono utilizzati anche nell'impianto di acqua pura per rigenerare le resine anioniche e cationiche, producendo acque reflue di rigenerazione acido-base. Anche le acque di scarico del processo di lavaggio dei gas di scarico acido-base vengono prodotte. Nelle aziende produttrici di circuiti integrati, la quantità di acque reflue acido-base è particolarmente elevata.
3. Acque reflue organiche:
A causa dei diversi processi produttivi, la quantità di solventi organici utilizzati nell'industria dei semiconduttori è molto variabile. Tuttavia, come agenti pulenti, i solventi organici sono ancora ampiamente utilizzati in varie fasi della produzione di imballaggi. Alcuni di questi solventi finiscono per essere scaricati nelle acque reflue organiche.
4. Altre acque reflue:
Il processo di incisione utilizzato nella produzione di semiconduttori richiede una grande quantità di ammoniaca, fluoro e acqua ultrapura per la decontaminazione, generando di conseguenza scarichi di acque reflue ad alta concentrazione di ammoniaca.
Il processo di galvanostegia è necessario nel processo di confezionamento dei semiconduttori. Dopo la galvanostegia, il chip deve essere pulito e questo processo genera acque reflue. Poiché nella galvanostegia vengono utilizzati alcuni metalli, nelle acque reflue di pulizia si verificano emissioni di ioni metallici, come piombo, stagno, zinco, alluminio, ecc.
gas di scarico
Poiché il processo di produzione dei semiconduttori impone requisiti estremamente elevati in termini di pulizia della sala operativa, vengono solitamente utilizzati ventilatori per aspirare i vari tipi di gas di scarico volatilizzati durante il processo. Pertanto, le emissioni di gas di scarico nell'industria dei semiconduttori sono caratterizzate da un elevato volume di scarico e da una bassa concentrazione di emissioni. Le emissioni di gas di scarico sono inoltre principalmente volatili.
Queste emissioni di gas di scarico possono essere suddivise principalmente in quattro categorie: gas acidi, gas alcalini, gas organici di scarico e gas tossici.
1. Gas di scarico acido-base:
I gas di scarico acido-base provengono principalmente dalla diffusione,Malattia cardiovascolare, processi CMP e di incisione, che utilizzano una soluzione detergente acido-base per pulire il wafer.
Attualmente, il solvente di pulizia più comunemente utilizzato nel processo di produzione dei semiconduttori è una miscela di perossido di idrogeno e acido solforico.
I gas di scarto generati in questi processi includono gas acidi come acido solforico, acido fluoridrico, acido cloridrico, acido nitrico e acido fosforico, mentre il gas alcalino è principalmente ammoniaca.
2. Gas di scarto organici:
I gas di scarico organici provengono principalmente da processi come la fotolitografia, lo sviluppo, l'incisione e la diffusione. In questi processi, per pulire la superficie del wafer si utilizza una soluzione organica (come l'alcol isopropilico) e il gas di scarico generato dalla volatilizzazione è una delle fonti di gas di scarico organici;
Allo stesso tempo, il fotoresist utilizzato nel processo di fotolitografia e incisione contiene solventi organici volatili, come l'acetato di butile, che si volatilizzano nell'atmosfera durante il processo di lavorazione dei wafer, costituendo un'ulteriore fonte di gas di scarto organici.
3. Gas di scarico tossici:
I gas di scarico tossici provengono principalmente da processi come l'epitassia cristallina, l'incisione a secco e la deposizione chimica da fase vapore (CVD). In questi processi, per la lavorazione dei wafer vengono utilizzati diversi gas speciali ad elevata purezza, come silicio (SiH₂), fosforo (PH₃), tetracloruro di carbonio (CF₃), borano, triossido di boro, ecc. Alcuni di questi gas speciali sono tossici, asfissianti e corrosivi.
Allo stesso tempo, nel processo di incisione e pulizia a secco successivo alla deposizione chimica da fase vapore nella produzione di semiconduttori, è necessaria una grande quantità di gas ossidici (PFCS), come NFS, C2F&CR, C3FS, CHF3, SF6, ecc. Questi composti perfluorurati presentano un forte assorbimento nella regione della luce infrarossa e permangono a lungo nell'atmosfera. Sono generalmente considerati la principale fonte dell'effetto serra globale.
4. Gas di scarico del processo di confezionamento:
Rispetto al processo di produzione dei semiconduttori, i gas di scarto generati dal processo di confezionamento dei semiconduttori sono relativamente semplici, costituiti principalmente da gas acidi, resina epossidica e polvere.
I gas di scarico acidi vengono generati principalmente in processi come la galvanostegia;
Il gas di scarto della cottura viene generato durante il processo di cottura successivo all'incollaggio e alla sigillatura del prodotto;
La macchina per il taglio dei wafer genera gas di scarico contenenti tracce di polvere di silicio durante il processo di taglio.
Problemi di inquinamento ambientale
Per quanto riguarda i problemi di inquinamento ambientale nell'industria dei semiconduttori, le principali problematiche da risolvere sono:
· Emissione su larga scala di inquinanti atmosferici e composti organici volatili (COV) nel processo di fotolitografia;
· Emissione di composti perfluorurati (PFCS) nei processi di incisione al plasma e deposizione chimica da fase vapore;
· Consumo su larga scala di energia e acqua nella produzione e nella tutela della sicurezza dei lavoratori;
• Riciclaggio e monitoraggio dell'inquinamento dei sottoprodotti;
• Problemi legati all'utilizzo di sostanze chimiche pericolose nei processi di confezionamento.
Produzione pulita
La tecnologia di produzione pulita dei dispositivi a semiconduttore può essere migliorata sotto il profilo delle materie prime, dei processi e del controllo di processo.
Miglioramento delle materie prime e dell'energia
Innanzitutto, la purezza dei materiali deve essere rigorosamente controllata per ridurre l'introduzione di impurità e particelle.
In secondo luogo, prima di immettere i componenti o i semilavorati in entrata nella produzione, è necessario eseguire vari test di temperatura, rilevamento perdite, vibrazione, shock elettrico ad alta tensione e altri ancora.
Inoltre, la purezza dei materiali ausiliari deve essere rigorosamente controllata. Esistono numerose tecnologie che possono essere utilizzate per la produzione di energia pulita.
Ottimizzare il processo produttivo
L'industria dei semiconduttori stessa si impegna a ridurre il proprio impatto ambientale attraverso il miglioramento delle tecnologie di processo.
Ad esempio, negli anni '70, per la pulizia dei wafer nella tecnologia di pulizia dei circuiti integrati si utilizzavano principalmente solventi organici. Negli anni '80, si impiegarono soluzioni acide e alcaline come l'acido solforico. Negli anni '90, infine, si è sviluppata la tecnologia di pulizia al plasma e ossigeno.
Per quanto riguarda gli imballaggi, la maggior parte delle aziende attualmente utilizza la tecnologia di galvanizzazione, che provoca un inquinamento ambientale da metalli pesanti.
Tuttavia, gli impianti di confezionamento di Shanghai non utilizzano più la tecnologia di galvanizzazione, quindi non vi è alcun impatto ambientale dovuto ai metalli pesanti. Si può constatare che l'industria dei semiconduttori sta gradualmente riducendo il proprio impatto ambientale attraverso il miglioramento dei processi e la sostituzione di sostanze chimiche nel proprio percorso di sviluppo, seguendo anche l'attuale tendenza globale di promuovere la progettazione di processi e prodotti basata sulla sostenibilità ambientale.
Attualmente, sono in corso ulteriori miglioramenti dei processi locali, tra cui:
·Sostituzione e riduzione del gas PFCS a base di ammonio, ad esempio utilizzando gas PFC a basso effetto serra in sostituzione di gas ad alto effetto serra, migliorando il flusso di processo e riducendo la quantità di gas PFCS utilizzato nel processo;
·Migliorare la pulizia di più wafer, passando alla pulizia di un singolo wafer, per ridurre la quantità di agenti chimici utilizzati nel processo di pulizia.
·Controllo rigoroso del processo:
a. Realizzare l'automazione del processo produttivo, che consente una lavorazione precisa e la produzione in lotti, riducendo l'elevato tasso di errore delle operazioni manuali;
b. Fattori ambientali del processo ultra-pulito: circa il 5% o meno della perdita di resa è causata da persone e ambiente. I fattori ambientali del processo ultra-pulito includono principalmente la purezza dell'aria, l'acqua ad alta purezza, l'aria compressa, la CO2, l'N2, la temperatura, l'umidità, ecc. Il livello di pulizia di un'officina pulita viene spesso misurato dal numero massimo di particelle consentite per unità di volume d'aria, ovvero dalla concentrazione di particelle;
c. Rafforzare i sistemi di rilevamento e selezionare punti chiave appropriati per il rilevamento nelle postazioni di lavoro con elevate quantità di scarti durante il processo produttivo.
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Data di pubblicazione: 13 agosto 2024