半導体デバイスの製造は、主に個別デバイス、集積回路、およびそれらのパッケージングプロセスから構成される。
半導体製造は、製品本体材料製造、製品製造、製品の3つの段階に分けられます。ウェハー製造およびデバイス組立工程。中でも、最も深刻な汚染は製品ウェハー製造段階である。
汚染物質は主に、廃水、排ガス、固形廃棄物に分類される。
チップ製造プロセス：
シリコンウェハー外部研削後 - 洗浄 - 酸化 - 均一レジスト - フォトリソグラフィー - 現像 - エッチング - 拡散、イオン注入 - 化学気相成長 - 化学機械研磨 - 金属化など。
廃水
半導体製造およびパッケージング試験の各工程では、主に酸性廃水、アンモニア含有廃水、有機性廃水など、大量の廃水が発生する。
1. フッ素含有廃水：
フッ化水素酸は、その酸化性および腐食性のため、酸化およびエッチング工程で使用される主要な溶媒となっています。工程中のフッ素含有廃水は、主にチップ製造工程における拡散工程および化学機械研磨工程から発生します。シリコンウェーハおよび関連器具の洗浄工程では、塩酸も頻繁に使用されます。これらの工程はすべて専用のエッチング槽または洗浄装置で行われるため、フッ素含有廃水は個別に排出できます。濃度に応じて、高濃度フッ素含有廃水と低濃度アンモニア含有廃水に分類できます。一般的に、高濃度アンモニア含有廃水の濃度は100～1200 mg/Lに達します。ほとんどの企業は、高い水質を必要としない工程でこの廃水をリサイクルしています。
2. 酸性・塩基性廃水：
集積回路製造工程のほぼすべての工程で、チップの洗浄が必要となる。現在、集積回路製造工程で最も一般的に使用されている洗浄液は硫酸と過酸化水素である。同時に、硝酸、塩酸、アンモニア水などの酸塩基試薬も使用されている。
製造工程における酸性・塩基性廃水は、主にチップ製造工程の洗浄工程から発生します。パッケージング工程では、電気めっきや化学分析の際にチップが酸性・塩基性溶液で処理されます。処理後、純水で洗浄する必要があり、酸性・塩基性洗浄廃水が発生します。さらに、純水製造装置では、水酸化ナトリウムや塩酸などの酸性・塩基性試薬を用いて陰イオン交換樹脂や陽イオン交換樹脂を再生し、酸性・塩基性再生廃水が発生します。また、酸性・塩基性排ガス洗浄工程でも洗浄尾水が発生します。集積回路製造会社では、酸性・塩基性廃水の量が特に多くなります。
3. 有機性廃水：
半導体産業では製造工程が異なるため、使用される有機溶剤の量も大きく異なります。しかし、洗浄剤として、有機溶剤は製造・包装の様々な工程で依然として広く使用されています。一部の溶剤は有機廃水として排出されます。
4. その他の廃水：
半導体製造工程におけるエッチング工程では、除染のために大量のアンモニア、フッ素、高純度水が使用されるため、高濃度のアンモニアを含む廃水が排出される。
半導体パッケージング工程では、電気めっき工程が必須です。チップは電気めっき後に洗浄する必要があり、この工程で電気めっき洗浄廃水が発生します。電気めっきには金属が使用されるため、電気めっき洗浄廃水には鉛、錫、亜鉛、アルミニウムなどの金属イオンが放出されます。
排ガス
半導体製造プロセスでは、作業室の清浄度に対する要求が非常に高いため、プロセス中に発生する様々な種類の排ガスを排出するためにファンが一般的に使用されます。したがって、半導体産業における排ガス排出は、排気量が多く、排出濃度が低いという特徴があります。また、排ガス排出は主に揮発性です。
これらの排ガス排出物は、主に酸性ガス、アルカリ性ガス、有機性排ガス、有毒ガスの4つのカテゴリーに分類できます。
1. 酸塩基排ガス：
酸塩基廃ガスは主に拡散によって発生し、CVDCMPやエッチングなどのプロセスでは、酸性・塩基性の洗浄液を用いてウェーハを洗浄します。
現在、半導体製造工程で最も一般的に使用されている洗浄溶剤は、過酸化水素と硫酸の混合物である。
これらのプロセスで発生する廃ガスには、硫酸、フッ化水素酸、塩酸、硝酸、リン酸などの酸性ガスと、主にアンモニアであるアルカリ性ガスが含まれる。
2. 有機性排ガス：
有機廃ガスは主にフォトリソグラフィー、現像、エッチング、拡散などの工程から発生します。これらの工程では、ウェーハ表面の洗浄に有機溶液（イソプロピルアルコールなど）が使用され、揮発によって発生する廃ガスが有機廃ガスの発生源の一つとなります。
同時に、フォトリソグラフィーやエッチングの工程で使用されるフォトレジストには、酢酸ブチルなどの揮発性有機溶剤が含まれており、ウェーハ処理工程中に大気中に揮発するため、有機廃ガスのもう一つの発生源となる。
3. 有毒廃ガス：
有毒な廃ガスは主に結晶エピタキシー、ドライエッチング、CVDなどのプロセスから発生します。これらのプロセスでは、シリコン（SiH1）、リン（PH3）、四塩化炭素（CF1）、ボラン、三酸化ホウ素など、さまざまな高純度特殊ガスがウェーハの処理に使用されます。これらの特殊ガスの中には、有毒、窒息性、腐食性のあるものもあります。
同時に、半導体製造における化学気相成長後のドライエッチングおよび洗浄工程では、NFS、C2F&CR、C3FS、CHF3、SF6などのフルオリジン系ガス（PFCS）が大量に必要となる。これらのパーフルオロ化合物は赤外光領域で強い吸収を示し、大気中に長期間残留する。これらは一般的に、地球温暖化の主な原因と考えられている。
4. 包装工程の排ガス：
半導体製造工程と比較すると、半導体パッケージング工程で発生する廃ガスは比較的単純で、主に酸性ガス、エポキシ樹脂、粉塵である。
酸性廃ガスは主に電気めっきなどの工程で発生する。
製品の糊付けと密封後の焼成工程で、焼成廃ガスが発生する。
ウェーハ切断工程において、ダイシングマシンは微量のシリコン粉塵を含む廃ガスを発生させる。
環境汚染問題
半導体産業における環境汚染問題に関して、解決すべき主な問題点は以下のとおりです。
・フォトリソグラフィー工程における大気汚染物質および揮発性有機化合物（VOC）の大規模な排出。
・プラズマエッチングおよび化学気相成長プロセスにおけるパーフルオロ化合物（PFCS）の放出。
・生産におけるエネルギーと水の大量消費、および労働者の安全保護。
・副産物のリサイクルおよび汚染監視。
・包装工程における有害化学物質の使用に伴う問題点。
クリーン生産
半導体デバイスのクリーン生産技術は、原材料、プロセス、プロセス制御といった側面から改善できる。
原材料とエネルギーの改善
まず、不純物や粒子の混入を減らすために、材料の純度を厳密に管理する必要がある。
第二に、入荷した部品や半製品は、生産に投入する前に、温度、漏れ検出、振動、高電圧感電などの各種試験を実施する必要があります。
さらに、補助材料の純度を厳密に管理する必要がある。クリーンエネルギー生産に利用できる技術は比較的多く存在する。
生産プロセスを最適化する
半導体業界自体も、プロセス技術の改善を通じて環境への影響を低減しようと努めている。
例えば、1970年代には、集積回路洗浄技術において、ウェハ洗浄には主に有機溶剤が用いられていました。1980年代には、硫酸などの酸性およびアルカリ性溶液がウェハ洗浄に用いられるようになりました。そして1990年代には、プラズマ酸素洗浄技術が開発されました。
包装に関して言えば、現在ほとんどの企業が電気めっき技術を使用しているが、これは環境に重金属汚染を引き起こす。
しかし、上海の包装工場ではもはや電気めっき技術を使用していないため、重金属が環境に与える影響はありません。半導体業界は、自社の開発プロセスにおける工程改善や化学物質の代替を通じて、環境への影響を徐々に低減させており、これは環境に基づいたプロセスおよび製品設計を提唱する現在の世界的な発展動向にも沿っていることがわかります。
現在、以下のような、より多くのローカルプロセス改善が実施されています。
・全アンモニウムPFCSガスの代替および削減、例えば、温室効果の低いPFCガスを使用して温室効果の高いガスを置き換えること、プロセスフローを改善し、プロセスで使用するPFCSガスの量を削減すること。
・洗浄工程で使用する化学洗浄剤の量を削減するため、複数枚のウェハ洗浄を単一ウェハ洗浄に改良する。
・厳格なプロセス管理：
a. 製造工程の自動化を実現し、精密な加工とバッチ生産を可能にし、手作業による高いエラー率を低減する。
b. 超クリーンプロセス環境要因、歩留まり損失の約5%以下は人や環境によるものです。超クリーンプロセス環境要因には主に、空気の清浄度、高純度水、圧縮空気、CO2、N2、温度、湿度などが含まれます。クリーンワークショップの清浄度レベルは、空気の単位体積あたりに許容される最大粒子数、つまり粒子数濃度によって測定されることがよくあります。
c. 検出を強化し、生産工程において大量の廃棄物が発生する作業ステーションで適切な検出ポイントを選択する。
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投稿日時：2024年8月13日