Die Produktion von Halbleiterbauelementen umfasst hauptsächlich diskrete Bauelemente, integrierte Schaltkreise und deren Verpackungsprozesse.
Die Halbleiterproduktion kann in drei Phasen unterteilt werden: Produktion des Produktkörpermaterials, Produktion des ProduktsWaferFertigung und Gerätemontage. Die schwerwiegendste Verschmutzung ist dabei die Herstellungsphase der Produktwafer.
Schadstoffe werden hauptsächlich in Abwasser, Abgase und feste Abfälle unterteilt.
Chip-Herstellungsprozess:
Siliziumwafernach dem Außenschleifen – Reinigen – Oxidation – gleichmäßiger Resist – Fotolithographie – Entwicklung – Ätzen – Diffusion, Ionenimplantation – chemische Gasphasenabscheidung – chemisch-mechanisches Polieren – Metallisierung usw.
Abwasser
In jedem Prozessschritt der Halbleiterherstellung und Verpackungsprüfung fällt eine große Menge Abwasser an, hauptsächlich säurealkalisches Abwasser, ammoniakhaltiges Abwasser und organisches Abwasser.
1. Fluorhaltiges Abwasser:
Aufgrund seiner oxidierenden und korrosiven Eigenschaften wird Flusssäure zum Hauptlösungsmittel für Oxidations- und Ätzprozesse. Fluorhaltiges Abwasser im Prozess stammt hauptsächlich aus dem Diffusionsprozess und dem chemisch-mechanischen Polierprozess im Chipherstellungsprozess. Bei der Reinigung von Siliziumwafern und zugehörigen Utensilien kommt häufig auch Salzsäure zum Einsatz. Alle diese Prozesse werden in speziellen Ätztanks oder Reinigungsgeräten durchgeführt, sodass fluorhaltiges Abwasser unabhängig abgeleitet werden kann. Je nach Konzentration kann es in hochkonzentriertes fluorhaltiges Abwasser und niedrigkonzentriertes ammoniakhaltiges Abwasser unterteilt werden. Im Allgemeinen kann die Konzentration hochkonzentrierter ammoniakhaltiger Abwässer 100–1200 mg/L erreichen. Die meisten Unternehmen recyceln diesen Teil des Abwassers für Prozesse, die keine hohe Wasserqualität erfordern.
2. Säure-Base-Abwasser:
Fast jeder Prozess im Herstellungsprozess integrierter Schaltkreise erfordert eine Reinigung des Chips. Derzeit sind Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid die am häufigsten verwendeten Reinigungsflüssigkeiten im Herstellungsprozess integrierter Schaltkreise. Gleichzeitig kommen auch Säure-Base-Reagenzien wie Salpetersäure, Salzsäure und Ammoniakwasser zum Einsatz.
Das säurealkalische Abwasser des Herstellungsprozesses stammt hauptsächlich aus dem Reinigungsprozess im Chipherstellungsprozess. Im Verpackungsprozess wird der Chip während der Galvanisierung und chemischen Analyse mit einer Säure-Base-Lösung behandelt. Nach der Behandlung muss es mit reinem Wasser gewaschen werden, um saures Waschabwasser zu erzeugen. Darüber hinaus werden in der Reinwasserstation auch Säure-Base-Reagenzien wie Natriumhydroxid und Salzsäure verwendet, um Anionen- und Kationenharze zu regenerieren und so Abwasser zur Säure-Base-Regeneration zu erzeugen. Bei der Säure-Base-Abgaswäsche entsteht auch Waschwasser. In Unternehmen, die integrierte Schaltkreise herstellen, ist die Menge an Säure-Base-Abwasser besonders groß.
3. Organisches Abwasser:
Aufgrund unterschiedlicher Produktionsprozesse ist der Einsatz organischer Lösungsmittel in der Halbleiterindustrie sehr unterschiedlich. Als Reinigungsmittel werden organische Lösungsmittel jedoch immer noch häufig in verschiedenen Bereichen der Verpackungsherstellung eingesetzt. Einige Lösungsmittel gelangen in organische Abwässer.
4. Sonstiges Abwasser:
Beim Ätzprozess des Halbleiterproduktionsprozesses werden große Mengen Ammoniak, Fluor und hochreines Wasser zur Dekontamination verwendet, wodurch eine hochkonzentrierte ammoniakhaltige Abwasserentsorgung entsteht.
Der Galvanikprozess ist im Halbleiterverpackungsprozess erforderlich. Der Chip muss nach dem Galvanisieren gereinigt werden, wobei bei diesem Prozess Reinigungsabwasser für das Galvanisieren entsteht. Da bei der Galvanisierung einige Metalle verwendet werden, kommt es im Reinigungsabwasser der Galvanisierung zu Metallionenemissionen wie Blei, Zinn, Scheiben, Zink, Aluminium usw.
Abgas
Da der Halbleiterprozess extrem hohe Anforderungen an die Sauberkeit des Operationssaals stellt, werden üblicherweise Ventilatoren eingesetzt, um verschiedene Arten von Abgasen, die während des Prozesses verflüchtigt werden, abzusaugen. Daher sind die Abgasemissionen in der Halbleiterindustrie durch ein großes Abgasvolumen und eine geringe Emissionskonzentration gekennzeichnet. Auch Abgasemissionen werden überwiegend verflüchtigt.
Diese Abgasemissionen lassen sich hauptsächlich in vier Kategorien einteilen: saure Gase, alkalische Gase, organische Abgase und giftige Gase.
1. Säure-Base-Abgas:
Säure-Base-Abgas entsteht hauptsächlich durch Diffusion,CVD, CMP- und Ätzverfahren, bei denen zur Reinigung des Wafers eine Säure-Base-Reinigungslösung verwendet wird.
Das derzeit am häufigsten verwendete Reinigungslösungsmittel im Halbleiterfertigungsprozess ist eine Mischung aus Wasserstoffperoxid und Schwefelsäure.
Das bei diesen Prozessen entstehende Abgas umfasst saure Gase wie Schwefelsäure, Flusssäure, Salzsäure, Salpetersäure und Phosphorsäure, während das alkalische Gas hauptsächlich Ammoniak ist.
2. Organisches Abgas:
Organische Abgase stammen hauptsächlich aus Prozessen wie Fotolithographie, Entwicklung, Ätzen und Diffusion. Bei diesen Verfahren wird eine organische Lösung (z. B. Isopropylalkohol) zum Reinigen der Oberfläche des Wafers verwendet, und das durch Verflüchtigung entstehende Abgas ist eine der Quellen für organisches Abgas;
Gleichzeitig enthält der im Fotolithografie- und Ätzprozess verwendete Fotolack (Fotolack) flüchtige organische Lösungsmittel wie Butylacetat, das sich während des Waferverarbeitungsprozesses in die Atmosphäre verflüchtigt und eine weitere Quelle organischer Abgase darstellt.
3. Giftiges Abgas:
Giftige Abgase entstehen hauptsächlich bei Prozessen wie Kristallepitaxie, Trockenätzen und CVD. Bei diesen Prozessen werden verschiedene hochreine Spezialgase zur Bearbeitung des Wafers verwendet, wie z. B. Silizium (SiHj), Phosphor (PH3), Tetrachlorkohlenstoff (CFJ), Boran, Bortrioxid usw. Einige Spezialgase sind giftig. erstickend und ätzend.
Gleichzeitig ist beim Trockenätz- und Reinigungsprozess nach der chemischen Gasphasenabscheidung in der Halbleiterfertigung eine große Menge an Volloxidgas (PFCS) erforderlich, wie z. B. NFS, C2F&CR, C3FS, CHF3, SF6 usw. Diese perfluorierten Verbindungen haben eine starke Absorption im Infrarotlichtbereich und bleiben lange in der Atmosphäre. Sie gelten allgemein als Hauptverursacher des globalen Treibhauseffekts.
4. Abgase aus dem Verpackungsprozess:
Im Vergleich zum Halbleiterherstellungsprozess ist das beim Halbleiterverpackungsprozess erzeugte Abgas relativ einfach und besteht hauptsächlich aus saurem Gas, Epoxidharz und Staub.
Saure Abgase entstehen vor allem bei Prozessen wie der Galvanisierung;
Beim Backen nach dem Kleben und Versiegeln des Produkts entstehen Backabgase.
Die Würfelschneidemaschine erzeugt beim Wafer-Schneideprozess Abgase, die Spuren von Siliziumstaub enthalten.
Probleme der Umweltverschmutzung
Was die Umweltverschmutzungsprobleme in der Halbleiterindustrie betrifft, müssen folgende Hauptprobleme gelöst werden:
· Großflächige Emission von Luftschadstoffen und flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) im Fotolithographieprozess;
· Emission perfluorierter Verbindungen (PFCS) bei Plasmaätz- und chemischen Gasphasenabscheidungsprozessen;
· Hoher Energie- und Wasserverbrauch in der Produktion und Sicherheitsschutz der Arbeitnehmer;
· Recycling und Überwachung der Umweltverschmutzung von Nebenprodukten;
· Probleme bei der Verwendung gefährlicher Chemikalien in Verpackungsprozessen.
Saubere Produktion
Die saubere Produktionstechnologie für Halbleiterbauelemente kann unter den Aspekten Rohstoffe, Prozesse und Prozesskontrolle verbessert werden.
Rohstoffe und Energie verbessern
Erstens sollte die Reinheit der Materialien streng kontrolliert werden, um das Einbringen von Verunreinigungen und Partikeln zu reduzieren.
Zweitens sollten an den eingehenden Bauteilen oder Halbzeugen verschiedene Temperatur-, Leckerkennungs-, Vibrations-, Hochspannungs-Stromschlag- und andere Tests durchgeführt werden, bevor sie in Produktion gehen.
Darüber hinaus sollte die Reinheit der Hilfsstoffe streng kontrolliert werden. Es gibt relativ viele Technologien, die zur sauberen Energieerzeugung eingesetzt werden können.
Optimieren Sie den Produktionsprozess
Die Halbleiterindustrie selbst ist bestrebt, ihre Auswirkungen auf die Umwelt durch Verbesserungen der Prozesstechnologie zu reduzieren.
Beispielsweise wurden in den 1970er Jahren in der Reinigungstechnologie für integrierte Schaltkreise hauptsächlich organische Lösungsmittel zur Reinigung von Wafern verwendet. In den 1980er Jahren wurden zur Reinigung von Wafern saure und alkalische Lösungen wie Schwefelsäure eingesetzt. Bis in die 1990er Jahre wurde die Plasma-Sauerstoff-Reinigungstechnologie entwickelt.
Was die Verpackung betrifft, nutzen die meisten Unternehmen derzeit die Galvaniktechnologie, was zu einer Schwermetallbelastung der Umwelt führen wird.
Allerdings nutzen Verpackungsanlagen in Shanghai keine Galvanisierungstechnologie mehr, sodass keine Auswirkungen von Schwermetallen auf die Umwelt entstehen. Es lässt sich feststellen, dass die Halbleiterindustrie ihre Auswirkungen auf die Umwelt schrittweise durch Prozessverbesserungen und chemische Substitution in ihrem eigenen Entwicklungsprozess reduziert, was auch dem aktuellen globalen Entwicklungstrend folgt, der sich für ein umweltorientiertes Prozess- und Produktdesign einsetzt.
Derzeit werden weitere lokale Prozessverbesserungen durchgeführt, darunter:
·Ersatz und Reduzierung von reinem Ammonium-PFCS-Gas, beispielsweise durch die Verwendung von PFC-Gas mit geringem Treibhauseffekt, um Gas mit hohem Treibhauseffekt zu ersetzen, beispielsweise durch Verbesserung des Prozessablaufs und Reduzierung der im Prozess verwendeten Menge an PFCS-Gas;
·Verbesserung der Multi-Wafer-Reinigung zur Einzel-Wafer-Reinigung, um die Menge der im Reinigungsprozess verwendeten chemischen Reinigungsmittel zu reduzieren.
·Strenge Prozesskontrolle:
A. Verwirklichen Sie die Automatisierung des Herstellungsprozesses, wodurch eine präzise Verarbeitung und Serienfertigung möglich ist und die hohe Fehlerquote des manuellen Betriebs reduziert wird.
B. Umweltfaktoren bei ultrareinen Prozessen: Etwa 5 % oder weniger des Ertragsverlusts werden durch Menschen und Umwelt verursacht. Zu den Umgebungsfaktoren für hochreine Prozesse gehören hauptsächlich Luftreinheit, hochreines Wasser, Druckluft, CO2, N2, Temperatur, Luftfeuchtigkeit usw. Der Sauberkeitsgrad einer sauberen Werkstatt wird häufig anhand der maximal zulässigen Partikelanzahl pro Volumeneinheit gemessen Luft, d. h. Partikelzahlkonzentration;
C. Stärken Sie die Erkennung und wählen Sie geeignete Schlüsselpunkte für die Erkennung an Arbeitsplätzen mit großen Abfallmengen während des Produktionsprozesses aus.
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 13. August 2024