A produção de dispositivos semicondutores inclui principalmente dispositivos discretos, circuitos integrados e seus processos de encapsulamento.
A produção de semicondutores pode ser dividida em três etapas: produção do material do corpo do produto, produção do produtowaferfabricação e montagem de dispositivos. Dentre elas, a poluição mais grave ocorre na etapa de fabricação do wafer do produto.
Os poluentes são divididos principalmente em águas residuais, gases residuais e resíduos sólidos.
Processo de fabricação de chips:
Pastilha de silícioapós retificação externa - limpeza - oxidação - revestimento uniforme - fotolitografia - revelação - corrosão - difusão, implantação iônica - deposição química de vapor - polimento químico-mecânico - metalização, etc.
águas residuais
Uma grande quantidade de águas residuais é gerada em cada etapa do processo de fabricação e teste de embalagens de semicondutores, principalmente águas residuais ácido-base, águas residuais contendo amônia e águas residuais orgânicas.
1. Águas residuais contendo flúor:
O ácido fluorídrico torna-se o principal solvente utilizado nos processos de oxidação e corrosão devido às suas propriedades oxidantes e corrosivas. As águas residuais contendo flúor provêm principalmente dos processos de difusão e polimento químico-mecânico na fabricação de chips. No processo de limpeza de wafers de silício e utensílios relacionados, o ácido clorídrico também é utilizado diversas vezes. Todos esses processos são realizados em tanques de corrosão ou equipamentos de limpeza dedicados, permitindo o descarte independente das águas residuais contendo flúor. De acordo com a concentração, elas podem ser divididas em águas residuais com alta concentração de flúor e águas residuais com baixa concentração de amônia. Geralmente, a concentração de amônia nas águas residuais com alta concentração pode atingir 100-1200 mg/L. A maioria das empresas recicla essa parte das águas residuais para processos que não exigem alta qualidade da água.
2. Efluentes ácidos e básicos:
Quase todos os processos na fabricação de circuitos integrados exigem a limpeza do chip. Atualmente, o ácido sulfúrico e o peróxido de hidrogênio são os fluidos de limpeza mais comumente usados nesse processo. Ao mesmo tempo, reagentes ácido-base como ácido nítrico, ácido clorídrico e amônia também são utilizados.
As águas residuais ácido-base do processo de fabricação provêm principalmente do processo de limpeza na produção de chips. No processo de encapsulamento, o chip é tratado com solução ácido-base durante a galvanoplastia e a análise química. Após o tratamento, ele precisa ser lavado com água pura, gerando águas residuais de lavagem ácido-base. Além disso, reagentes ácido-base, como hidróxido de sódio e ácido clorídrico, também são utilizados na estação de água pura para regenerar resinas aniônicas e catiônicas, produzindo águas residuais de regeneração ácido-base. Água residual de lavagem também é gerada durante o processo de lavagem de gases residuais ácido-base. Em empresas de fabricação de circuitos integrados, a quantidade de águas residuais ácido-base é particularmente grande.
3. Efluentes orgânicos:
Devido aos diferentes processos de produção, a quantidade de solventes orgânicos utilizada na indústria de semicondutores varia bastante. No entanto, como agentes de limpeza, os solventes orgânicos ainda são amplamente utilizados em diversas etapas da fabricação e embalagem. Alguns desses solventes se tornam efluentes orgânicos.
4. Outras águas residuais:
O processo de corrosão na produção de semicondutores utiliza grandes quantidades de amônia, flúor e água de alta pureza para descontaminação, gerando, assim, efluentes com alta concentração de amônia.
O processo de galvanoplastia é necessário na fabricação de semicondutores. O chip precisa ser limpo após a galvanoplastia, e esse processo gera efluentes. Como alguns metais são usados na galvanoplastia, haverá emissão de íons metálicos nesses efluentes, como chumbo, estanho, zinco, alumínio, etc.
Gás residual
Como o processo de fabricação de semicondutores exige níveis extremamente altos de limpeza na sala de operação, ventiladores são comumente utilizados para extrair diversos tipos de gases residuais volatilizados durante o processo. Portanto, as emissões de gases residuais na indústria de semicondutores são caracterizadas por grande volume de exaustão e baixa concentração de emissão. Essas emissões são, em sua maioria, gases voláteis.
Essas emissões de gases residuais podem ser divididas principalmente em quatro categorias: gases ácidos, gases alcalinos, gases residuais orgânicos e gases tóxicos.
1. Gás residual ácido-base:
Os gases residuais ácido-base provêm principalmente da difusão.DCV, processos de CMP e de corrosão, que utilizam solução de limpeza ácido-base para limpar o wafer.
Atualmente, o solvente de limpeza mais comumente usado no processo de fabricação de semicondutores é uma mistura de peróxido de hidrogênio e ácido sulfúrico.
Os gases residuais gerados nesses processos incluem gases ácidos como ácido sulfúrico, ácido fluorídrico, ácido clorídrico, ácido nítrico e ácido fosfórico, e o gás alcalino é principalmente amônia.
2. Gás residual orgânico:
Os gases residuais orgânicos provêm principalmente de processos como fotolitografia, revelação, corrosão e difusão. Nesses processos, utiliza-se uma solução orgânica (como o álcool isopropílico) para limpar a superfície do wafer, e o gás residual gerado pela volatilização é uma das fontes de gases residuais orgânicos;
Ao mesmo tempo, o fotorresiste (fotorresistente) usado no processo de fotolitografia e corrosão contém solventes orgânicos voláteis, como o acetato de butila, que se volatiliza para a atmosfera durante o processo de processamento do wafer, sendo outra fonte de gases residuais orgânicos.
3. Gás residual tóxico:
Os gases residuais tóxicos provêm principalmente de processos como epitaxia de cristal, corrosão seca e CVD. Nesses processos, diversos gases especiais de alta pureza são utilizados para processar o wafer, como silício (SiH₄), fósforo (PH₃), tetracloreto de carbono (CF₄), borano, trióxido de boro, etc. Alguns desses gases especiais são tóxicos, asfixiantes e corrosivos.
Ao mesmo tempo, no processo de corrosão e limpeza a seco após a deposição química de vapor na fabricação de semicondutores, é necessária uma grande quantidade de gás de óxido completo (PFCS), como NFS, C2F&CR, C3FS, CHF3, SF6, etc. Esses compostos perfluorados têm forte absorção na região da luz infravermelha e permanecem na atmosfera por um longo período. Eles são geralmente considerados a principal fonte do efeito estufa global.
4. Gases residuais do processo de embalagem:
Comparado com o processo de fabricação de semicondutores, o gás residual gerado pelo processo de encapsulamento de semicondutores é relativamente simples, consistindo principalmente de gás ácido, resina epóxi e poeira.
O gás residual ácido é gerado principalmente em processos como a galvanoplastia;
O gás residual do processo de cozimento ocorre após a colagem e selagem do produto;
Durante o processo de corte do wafer, a máquina de corte gera gases residuais contendo traços de pó de silício.
problemas de poluição ambiental
Em relação aos problemas de poluição ambiental na indústria de semicondutores, os principais problemas a serem resolvidos são:
• Emissão em larga escala de poluentes atmosféricos e compostos orgânicos voláteis (COVs) no processo de fotolitografia;
• Emissão de compostos perfluorados (PFCS) em processos de gravação a plasma e deposição química de vapor;
• Consumo em larga escala de energia e água na produção e na proteção da segurança dos trabalhadores;
• Reciclagem e monitoramento da poluição de subprodutos;
• Problemas relacionados ao uso de produtos químicos perigosos em processos de embalagem.
Produção limpa
A tecnologia de produção limpa de dispositivos semicondutores pode ser aprimorada em termos de matérias-primas, processos e controle de processos.
Melhorar as matérias-primas e a energia.
Em primeiro lugar, a pureza dos materiais deve ser rigorosamente controlada para reduzir a introdução de impurezas e partículas.
Em segundo lugar, vários testes de temperatura, detecção de vazamentos, vibração, choque elétrico de alta tensão e outros devem ser realizados nos componentes recebidos ou nos produtos semiacabados antes de serem colocados em produção.
Além disso, a pureza dos materiais auxiliares deve ser rigorosamente controlada. Existem relativamente muitas tecnologias que podem ser utilizadas para a produção limpa de energia.
Otimizar o processo de produção
A própria indústria de semicondutores se esforça para reduzir seu impacto no meio ambiente por meio de melhorias na tecnologia de processos.
Por exemplo, na década de 1970, solventes orgânicos eram os principais materiais utilizados para a limpeza de wafers na tecnologia de limpeza de circuitos integrados. Na década de 1980, soluções ácidas e alcalinas, como o ácido sulfúrico, passaram a ser utilizadas para a limpeza de wafers. Somente na década de 1990, a tecnologia de limpeza por plasma de oxigênio foi desenvolvida.
Em termos de embalagem, a maioria das empresas atualmente utiliza a tecnologia de galvanoplastia, que causa poluição ambiental por metais pesados.
No entanto, as fábricas de embalagens em Xangai não utilizam mais a tecnologia de galvanoplastia, portanto não há impacto de metais pesados no meio ambiente. Observa-se que a indústria de semicondutores está gradualmente reduzindo seu impacto ambiental por meio de melhorias de processo e substituição de componentes químicos em seu próprio processo de desenvolvimento, o que também acompanha a atual tendência global de desenvolvimento que prioriza o design de processos e produtos com foco na sustentabilidade ambiental.
Atualmente, estão sendo implementadas melhorias nos processos locais, incluindo:
• Substituição e redução do gás PFCS à base de amônio, como por exemplo, a utilização de gás PFC com baixo efeito estufa para substituir o gás com alto efeito estufa, como a melhoria do fluxo do processo e a redução da quantidade de gás PFCS utilizada no processo;
• Melhorar a limpeza de múltiplos wafers para limpeza de wafer único, a fim de reduzir a quantidade de agentes de limpeza químicos utilizados no processo de limpeza.
• Controle rigoroso do processo:
a. Implementar a automação do processo de fabricação, o que permite o processamento preciso e a produção em lotes, além de reduzir a alta taxa de erros da operação manual;
b. Em processos ultralimpos, cerca de 5% ou menos da perda de rendimento é causada por fatores humanos e ambientais. Esses fatores incluem principalmente a pureza do ar, água de alta pureza, ar comprimido, CO2, N2, temperatura, umidade, etc. O nível de limpeza de uma sala limpa é frequentemente medido pelo número máximo de partículas permitido por unidade de volume de ar, ou seja, a concentração de partículas.
c. Reforçar a detecção e selecionar pontos-chave apropriados para detecção em estações de trabalho com grandes quantidades de desperdício durante o processo de produção.
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Data da publicação: 13 de agosto de 2024