반도체 소자 생산은 주로 개별 소자, 집적 회로 및 이들의 패키징 공정을 포함합니다.
반도체 생산은 제품 본체 재료 생산, 제품 생산, 제품 생산의 세 단계로 나눌 수 있습니다.웨이퍼제조 및 장치 조립 단계에서 오염이 가장 심각하게 발생합니다. 그중에서도 제품 웨이퍼 제조 단계가 가장 심각한 오염을 유발합니다.
오염물질은 크게 폐수, 폐가스 및 고형 폐기물로 나뉩니다.
칩 제조 공정:
실리콘 웨이퍼외부 연삭 후 - 세척 - 산화 - 균일 레지스트 - 포토리소그래피 - 현상 - 에칭 - 확산, 이온 주입 - 화학 기상 증착 - 화학 기계적 연마 - 금속화 등
폐수
반도체 제조 및 패키징 테스트의 각 공정 단계에서는 다량의 폐수가 발생하는데, 주로 산염기 폐수, 암모니아 함유 폐수 및 유기 폐수입니다.
1. 불소 함유 폐수:
불산은 산화 및 부식성 때문에 산화 및 에칭 공정에서 주로 사용되는 용매입니다. 이 공정에서 발생하는 불소 함유 폐수는 주로 반도체 제조 공정의 확산 공정과 화학 기계적 연마(CMP) 공정에서 발생합니다. 실리콘 웨이퍼 및 관련 장비의 세척 공정에서도 염산이 자주 사용됩니다. 이러한 모든 공정은 전용 에칭 탱크 또는 세척 장비에서 완료되므로 불소 함유 폐수는 별도로 배출될 수 있습니다. 농도에 따라 고농도 불소 함유 폐수와 저농도 암모니아 함유 폐수로 나눌 수 있습니다. 일반적으로 고농도 암모니아 함유 폐수의 농도는 100~1200mg/L에 달할 수 있습니다. 대부분의 기업은 이러한 고농도 암모니아 함유 폐수를 높은 수질이 요구되지 않는 공정에 재활용합니다.
2. 산염기 폐수:
집적회로 제조 공정의 거의 모든 단계에서 칩 세척이 필요합니다. 현재 집적회로 제조 공정에서 가장 일반적으로 사용되는 세척액은 황산과 과산화수소입니다. 이와 더불어 질산, 염산, 암모니아수와 같은 산염기 시약도 사용됩니다.
제조 공정에서 발생하는 산염기 폐수는 주로 반도체 제조 공정의 세척 과정에서 발생합니다. 패키징 공정에서는 전기 도금 및 화학 분석 과정에서 반도체 칩을 산염기 용액으로 처리합니다. 처리 후 순수로 세척해야 하므로 산염기 세척 폐수가 발생합니다. 또한, 순수 처리 시설에서 수산화나트륨, 염산 등의 산염기 시약을 사용하여 음이온 및 양이온 수지를 재생하는 과정에서도 산염기 재생 폐수가 발생합니다. 산염기 폐가스 세척 과정에서도 세척 잔수가 발생합니다. 집적회로 제조 기업에서는 산염기 폐수 발생량이 특히 많습니다.
3. 유기성 폐수:
반도체 산업에서 사용되는 유기 용매의 양은 생산 공정에 따라 매우 다양합니다. 하지만 유기 용매는 세척제로서 포장재 제조의 여러 단계에서 여전히 널리 사용되고 있으며, 일부 용매는 유기 폐수로 배출됩니다.
4. 기타 폐수:
반도체 생산 공정의 에칭 공정에서는 오염 제거를 위해 다량의 암모니아, 불소 및 고순도 물이 사용되므로 고농도 암모니아 함유 폐수가 배출됩니다.
반도체 패키징 공정에는 전기 도금 공정이 필수적입니다. 칩은 전기 도금 후 세척 과정을 거쳐야 하며, 이 과정에서 전기 도금 세척 폐수가 발생합니다. 전기 도금에는 납, 주석, 아연, 알루미늄 등의 금속이 사용되므로, 전기 도금 세척 폐수에는 금속 이온이 배출될 수 있습니다.
폐가스
반도체 공정은 작업실의 청결도에 대한 요구 조건이 매우 높기 때문에, 공정 중에 발생하는 다양한 종류의 휘발성 폐가스를 배출하기 위해 일반적으로 팬이 사용됩니다. 따라서 반도체 산업에서 배출되는 폐가스는 배출량은 많지만 배출 농도는 낮은 것이 특징이며, 주로 휘발성 가스입니다.
이러한 폐가스 배출은 크게 산성 가스, 알칼리성 가스, 유기성 폐가스 및 유독 가스의 네 가지 범주로 나눌 수 있습니다.
1. 산염기 폐가스:
산염기 폐가스는 주로 확산에 의해 발생합니다.심혈관계 질환CMP 및 에칭 공정은 산-염기 세척액을 사용하여 웨이퍼를 세척합니다.
현재 반도체 제조 공정에서 가장 흔히 사용되는 세척 용액은 과산화수소와 황산의 혼합물입니다.
이러한 공정에서 발생하는 폐가스에는 황산, 불산, 염산, 질산, 인산과 같은 산성 가스와 주로 암모니아인 알칼리성 가스가 포함됩니다.
2. 유기성 폐가스:
유기 폐가스는 주로 포토리소그래피, 현상, 에칭 및 확산과 같은 공정에서 발생합니다. 이러한 공정에서 웨이퍼 표면을 세척하기 위해 유기 용액(예: 이소프로필 알코올)이 사용되는데, 휘발 과정에서 발생하는 폐가스가 유기 폐가스의 주요 원인 중 하나입니다.
한편, 포토리소그래피 및 에칭 공정에 사용되는 포토레지스트(photoresist)에는 부틸 아세테이트와 같은 휘발성 유기 용매가 함유되어 있는데, 이는 웨이퍼 가공 공정 중에 대기 중으로 휘발되어 유기 폐가스의 또 다른 원인이 됩니다.
3. 유독성 폐가스:
유독성 폐가스는 주로 결정 에피택시, 건식 식각, CVD와 같은 공정에서 발생합니다. 이러한 공정에서는 실리콘(SiH₄), 인(PH₃), 사염화탄소(CF₄), 보란, 삼산화붕소 등과 같은 다양한 고순도 특수 가스를 사용하여 웨이퍼를 처리합니다. 일부 특수 가스는 독성이 있고 질식성이 있으며 부식성이 있습니다.
한편, 반도체 제조에서 화학 기상 증착 후 건식 식각 및 세척 공정에는 NFS, C2F&CR, C3FS, CHF3, SF6 등과 같은 다량의 과불화화합물(PFCS) 가스가 필요합니다. 이러한 과불화화합물은 적외선 영역에서 강한 흡수 특성을 가지며 대기 중에 장기간 잔류합니다. 따라서 이들은 지구 온실 효과의 주요 원인으로 여겨집니다.
4. 포장 공정 폐가스:
반도체 제조 공정과 비교했을 때, 반도체 패키징 공정에서 발생하는 폐가스는 상대적으로 단순하며, 주로 산성 가스, 에폭시 수지 및 분진으로 구성됩니다.
산성 폐가스는 주로 전기 도금과 같은 공정에서 발생합니다.
베이킹 폐가스는 제품을 반죽하고 밀봉한 후 베이킹 과정에서 발생합니다.
웨이퍼 절단 과정에서 다이싱 기계는 미량의 실리콘 분진을 함유한 폐가스를 발생시킵니다.
환경 오염 문제
반도체 산업의 환경 오염 문제와 관련하여 해결해야 할 주요 과제는 다음과 같습니다.
• 포토리소그래피 공정에서 대규모 대기 오염 물질 및 휘발성 유기 화합물(VOC) 배출;
• 플라즈마 에칭 및 화학 기상 증착 공정에서 과불화화합물(PFCS)의 배출;
• 생산 과정에서의 대규모 에너지 및 용수 소비와 근로자 안전 보호;
• 부산물의 재활용 및 오염 모니터링;
• 포장 공정에서 유해 화학물질 사용으로 인한 문제점.
청정 생산
반도체 소자 청정 생산 기술은 원자재, 공정 및 공정 제어 측면에서 개선될 수 있다.
원자재 및 에너지 개선
첫째, 불순물 및 입자의 유입을 줄이기 위해 재료의 순도를 엄격하게 관리해야 합니다.
둘째로, 입고되는 부품이나 반제품은 생산에 투입하기 전에 다양한 온도, 누출 감지, 진동, 고전압 충격 등의 시험을 거쳐야 합니다.
또한, 보조 재료의 순도를 엄격하게 관리해야 합니다. 청정 에너지 생산에 사용할 수 있는 기술은 비교적 많습니다.
생산 공정 최적화
반도체 산업 자체는 공정 기술 개선을 통해 환경에 미치는 영향을 줄이기 위해 노력하고 있습니다.
예를 들어, 1970년대에는 집적회로 세척 기술에서 웨이퍼 세척에 주로 유기 용매가 사용되었습니다. 1980년대에는 황산과 같은 산성 및 알칼리성 용액이 웨이퍼 세척에 사용되었습니다. 1990년대에 이르러서야 플라즈마 산소 세척 기술이 개발되었습니다.
포장 측면에서 볼 때, 대부분의 기업은 현재 전기 도금 기술을 사용하고 있는데, 이는 환경에 중금속 오염을 유발합니다.
하지만 상하이의 포장 공장들은 더 이상 전기 도금 기술을 사용하지 않기 때문에 중금속이 환경에 미치는 영향은 없습니다. 이를 통해 반도체 산업이 자체 개발 과정에서 공정 개선과 화학 물질 대체 등을 통해 환경에 미치는 영향을 점차 줄여나가고 있음을 알 수 있으며, 이는 환경을 고려한 공정 및 제품 설계라는 현재의 세계적인 추세와도 일맥상통합니다.
현재 다음과 같은 지역별 공정 개선 작업이 진행되고 있습니다.
• 온실 효과가 높은 PFC 가스를 온실 효과가 낮은 PFC 가스로 대체하거나, 공정 흐름을 개선하고 공정에서 사용되는 PFCS 가스의 양을 줄이는 등, 모든 암모늄계 PFCS 가스의 대체 및 감축.
• 다중 웨이퍼 세척을 단일 웨이퍼 세척으로 개선하여 세척 공정에 사용되는 화학 세척제의 양을 줄입니다.
• 엄격한 공정 관리:
a. 제조 공정 자동화를 실현하여 정밀 가공 및 배치 생산을 가능하게 하고 수작업으로 인한 높은 오류율을 줄입니다.
b. 초청정 공정 환경 요인에서 수율 손실의 약 5% 이하가 인적 및 환경적 요인에 의해 발생합니다. 초청정 공정 환경 요인에는 주로 공기 청정도, 고순도 물, 압축 공기, CO2, N2, 온도, 습도 등이 포함됩니다. 클린워크장의 청정도 수준은 일반적으로 단위 부피당 허용되는 최대 입자 수, 즉 입자 농도로 측정됩니다.
c. 검출 능력을 강화하고, 생산 공정 중 폐기물이 많이 발생하는 작업대에 적합한 주요 검출 지점을 선정합니다.
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게시 시간: 2024년 8월 13일