Die Halbleitergeräteproduktion umfasst im Wesentlichen diskrete Bauelemente, integrierte Schaltungen und deren Gehäuseprozesse.
Die Halbleiterproduktion lässt sich in drei Phasen unterteilen: Herstellung des Produktkörpermaterials, ProduktherstellungWaffelFertigung und Gerätemontage. Die gravierendste Umweltbelastung tritt dabei bei der Herstellung der Produktwafer auf.
Schadstoffe werden hauptsächlich in Abwasser, Abgase und feste Abfälle unterteilt.
Chip-Herstellungsprozess:
Siliziumwafernach dem äußeren Schleifen - Reinigung - Oxidation - gleichmäßiger Fotolack - Fotolithografie - Entwicklung - Ätzen - Diffusion, Ionenimplantation - chemische Gasphasenabscheidung - chemisch-mechanisches Polieren - Metallisierung usw.
Abwasser
Bei jedem Prozessschritt der Halbleiterherstellung und der Prüfung der Verpackung entsteht eine große Menge an Abwasser, hauptsächlich saures oder basisches Abwasser, ammoniakhaltiges Abwasser und organisches Abwasser.
1. Fluorhaltiges Abwasser:
Fluorwasserstoffsäure ist aufgrund ihrer oxidierenden und korrosiven Eigenschaften das wichtigste Lösungsmittel in Oxidations- und Ätzprozessen. Fluorhaltiges Abwasser entsteht hauptsächlich bei der Diffusion und dem chemisch-mechanischen Polieren in der Chipherstellung. Auch bei der Reinigung von Siliziumwafern und zugehörigen Geräten wird wiederholt Salzsäure eingesetzt. Da all diese Prozesse in separaten Ätzbecken oder Reinigungsanlagen durchgeführt werden, kann das fluorhaltige Abwasser getrennt abgeleitet werden. Je nach Konzentration unterscheidet man zwischen hochkonzentriertem fluorhaltigem und niedrigkonzentriertem ammoniakhaltigem Abwasser. Die Konzentration des hochkonzentrierten ammoniakhaltigen Abwassers liegt üblicherweise zwischen 100 und 1200 mg/l. Die meisten Unternehmen recyceln diesen Teil des Abwassers für Prozesse, die keine hohen Anforderungen an die Wasserqualität stellen.
2. Säure-Base-Abwasser:
Nahezu jeder Prozessschritt bei der Herstellung integrierter Schaltkreise erfordert eine Reinigung des Chips. Derzeit sind Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid die am häufigsten verwendeten Reinigungsflüssigkeiten. Daneben kommen auch Säure-Base-Reagenzien wie Salpetersäure, Salzsäure und Ammoniakwasser zum Einsatz.
Das säure- und basenhaltige Abwasser des Herstellungsprozesses stammt hauptsächlich aus der Reinigung während der Chipfertigung. Im Verpackungsprozess wird der Chip während der Galvanisierung und chemischen Analyse mit Säure- und Baselösungen behandelt. Nach der Behandlung muss er mit Reinstwasser gespült werden, wodurch säure- und basenhaltiges Waschwasser entsteht. Zusätzlich werden in der Reinstwasseranlage Säure- und Base-Reagenzien wie Natriumhydroxid und Salzsäure zur Regeneration von Anionen- und Kationenaustauscherharzen verwendet, wodurch ebenfalls säure- und basenhaltiges Regenerationswasser entsteht. Auch beim Waschen der Abgase aus dem säure- und basenhaltigen Prozess fällt Restwasser an. In Unternehmen der Halbleiterfertigung ist die Menge an säure- und basenhaltigem Abwasser besonders hoch.
3. Organisches Abwasser:
Aufgrund unterschiedlicher Produktionsprozesse variiert der Verbrauch organischer Lösungsmittel in der Halbleiterindustrie stark. Dennoch finden organische Lösungsmittel in verschiedenen Bereichen der Verpackungsherstellung weiterhin breite Anwendung als Reinigungsmittel. Einige dieser Lösungsmittel gelangen ins Abwasser.
4. Sonstige Abwässer:
Beim Ätzprozess im Halbleiterherstellungsprozess werden große Mengen Ammoniak, Fluor und hochreines Wasser zur Dekontamination benötigt, wodurch hochkonzentriertes, ammoniakhaltiges Abwasser entsteht.
Die Galvanisierung ist ein notwendiger Prozess im Halbleitergehäuse. Nach der Galvanisierung muss der Chip gereinigt werden, wobei Reinigungsabwasser entsteht. Da bei der Galvanisierung Metalle wie Blei, Zinn, Zink, Aluminium usw. verwendet werden, gelangen Metallionen in das Reinigungsabwasser.
Abgas
Da die Halbleiterfertigung extrem hohe Anforderungen an die Reinheit des Produktionsraums stellt, werden üblicherweise Ventilatoren eingesetzt, um die dabei entstehenden Abgase abzusaugen. Daher zeichnen sich die Abgasemissionen in der Halbleiterindustrie durch ein hohes Abgasvolumen und eine geringe Emissionskonzentration aus. Die Abgase sind überwiegend flüchtig.
Diese Abgasemissionen lassen sich im Wesentlichen in vier Kategorien einteilen: saure Gase, alkalische Gase, organische Abgase und giftige Gase.
1. Säure-Base-Abgase:
Säure-Base-Abgase entstehen hauptsächlich durch Diffusion.CVD, CMP- und Ätzprozesse, bei denen eine Säure-Base-Reinigungslösung zur Reinigung des Wafers verwendet wird.
Das derzeit am häufigsten verwendete Reinigungsmittel im Halbleiterherstellungsprozess ist eine Mischung aus Wasserstoffperoxid und Schwefelsäure.
Zu den bei diesen Prozessen entstehenden Abgasen gehören saure Gase wie Schwefelsäure, Fluorwasserstoffsäure, Salzsäure, Salpetersäure und Phosphorsäure, während das alkalische Gas hauptsächlich Ammoniak ist.
2. Organische Abgase:
Organische Abgase stammen hauptsächlich aus Prozessen wie Fotolithografie, Entwicklung, Ätzen und Diffusion. Bei diesen Prozessen wird eine organische Lösung (z. B. Isopropylalkohol) zur Reinigung der Waferoberfläche verwendet, und die durch Verflüchtigung entstehenden Abgase sind eine der Quellen organischer Abgase;
Gleichzeitig enthält der bei der Fotolithografie und dem Ätzen verwendete Fotolack flüchtige organische Lösungsmittel wie Butylacetat, die während der Waferbearbeitung in die Atmosphäre verdunsten und somit eine weitere Quelle organischer Abgase darstellen.
3. Giftige Abgase:
Giftige Abgase entstehen hauptsächlich bei Prozessen wie Kristallepitaxie, Trockenätzen und CVD. Bei diesen Prozessen werden verschiedene hochreine Spezialgase zur Waferbearbeitung eingesetzt, beispielsweise Silizium (SiH₄), Phosphor (PH₃), Tetrachlorkohlenstoff (CF₄), Boran, Bortrioxid usw. Einige dieser Spezialgase sind giftig, erstickend und korrosiv.
Gleichzeitig wird beim Trockenätzen und Reinigen nach der chemischen Gasphasenabscheidung in der Halbleiterfertigung eine große Menge an Perfluorcarbonen (PFCS) benötigt, beispielsweise NFS, C₂F&CR, C₃FS, CHF₃, SF₆ usw. Diese perfluorierten Verbindungen absorbieren stark im Infrarotbereich und verbleiben lange in der Atmosphäre. Sie gelten allgemein als Hauptursache des globalen Treibhauseffekts.
4. Abgase aus dem Verpackungsprozess:
Im Vergleich zum Halbleiterherstellungsprozess sind die Abgase, die beim Halbleiterverpackungsprozess entstehen, relativ einfach und bestehen hauptsächlich aus saurem Gas, Epoxidharz und Staub.
Saure Abgase entstehen hauptsächlich bei Prozessen wie der Galvanisierung;
Beim Backen entsteht nach dem Verkleben und Versiegeln des Produkts Abgas.
Die Trennmaschine erzeugt während des Wafer-Schneideprozesses Abgase, die Spuren von Siliziumstaub enthalten.
Umweltverschmutzungsprobleme
Hinsichtlich der Umweltverschmutzungsprobleme in der Halbleiterindustrie müssen folgende Hauptprobleme gelöst werden:
• Großflächige Emission von Luftschadstoffen und flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) im Fotolithografieprozess;
• Emission von perfluorierten Verbindungen (PFCS) bei Plasmaätz- und chemischen Gasphasenabscheidungsprozessen;
• Hoher Energie- und Wasserverbrauch bei der Produktion und beim Arbeitsschutz;
• Recycling und Überwachung der Umweltbelastung durch Nebenprodukte;
• Probleme bei der Verwendung gefährlicher Chemikalien in Verpackungsprozessen.
Saubere Produktion
Die Technologie zur Herstellung sauberer Halbleiterbauelemente kann hinsichtlich Rohstoffen, Prozessen und Prozesskontrolle verbessert werden.
Verbesserung von Rohstoffen und Energie
Zunächst muss die Reinheit der Materialien streng kontrolliert werden, um die Einbringung von Verunreinigungen und Partikeln zu minimieren.
Zweitens sollten an den eingehenden Bauteilen oder Halbfertigprodukten verschiedene Temperatur-, Leckage-, Vibrations-, Hochspannungs- und andere Tests durchgeführt werden, bevor diese in die Produktion gehen.
Darüber hinaus muss die Reinheit der Hilfsstoffe streng kontrolliert werden. Es gibt vergleichsweise viele Technologien, die für die saubere Energieerzeugung eingesetzt werden können.
Produktionsprozess optimieren
Die Halbleiterindustrie selbst ist bestrebt, ihre Umweltauswirkungen durch Verbesserungen der Prozesstechnologie zu reduzieren.
In den 1970er Jahren wurden beispielsweise in der Reinigungstechnologie für integrierte Schaltungen hauptsächlich organische Lösungsmittel zur Waferreinigung eingesetzt. In den 1980er Jahren kamen Säure- und Laugenlösungen wie Schwefelsäure zum Einsatz. Erst in den 1990er Jahren wurde die Plasma-Sauerstoff-Reinigungstechnologie entwickelt.
Im Bereich der Verpackung setzen die meisten Unternehmen derzeit auf die Galvanisierungstechnologie, was zu einer Schwermetallbelastung der Umwelt führt.
Die Verpackungsanlagen in Shanghai verzichten jedoch auf die Galvanisierung, sodass keine Schwermetallbelastung der Umwelt entsteht. Die Halbleiterindustrie reduziert ihre Umweltauswirkungen durch Prozessverbesserungen und den Ersatz von Chemikalien im eigenen Entwicklungsprozess schrittweise und folgt damit dem globalen Trend zu umweltorientierten Prozess- und Produktdesigns.
Derzeit werden weitere lokale Prozessverbesserungen durchgeführt, darunter:
•Ersatz und Reduzierung von Ammonium-PFCS-Gasen, z. B. durch Verwendung von PFC-Gasen mit geringer Treibhauswirkung anstelle von Gasen mit hoher Treibhauswirkung, z. B. durch Verbesserung des Prozessablaufs und Reduzierung der im Prozess verwendeten PFCS-Gasmenge;
•Verbesserung der Reinigung mehrerer Wafer hin zur Reinigung einzelner Wafer, um die Menge der im Reinigungsprozess verwendeten chemischen Reinigungsmittel zu reduzieren.
•Strenge Prozesskontrolle:
a. Realisierung der Automatisierung des Fertigungsprozesses, wodurch eine präzise Bearbeitung und Serienproduktion ermöglicht und die hohe Fehlerrate der manuellen Bedienung reduziert werden kann;
b. Umweltfaktoren in Reinraumprozessen: Etwa 5 % oder weniger des Ertragsverlusts werden durch Menschen und die Umwelt verursacht. Zu den Umweltfaktoren in Reinraumprozessen zählen hauptsächlich Luftreinheit, hochreines Wasser, Druckluft, CO2, N2, Temperatur, Luftfeuchtigkeit usw. Der Reinheitsgrad eines Reinraums wird häufig anhand der maximal zulässigen Partikelanzahl pro Volumeneinheit Luft, d. h. der Partikelkonzentration, gemessen;
c. Die Erkennung verstärken und geeignete Schlüsselpunkte für die Erkennung an Arbeitsplätzen mit großen Abfallmengen während des Produktionsprozesses auswählen.
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Veröffentlichungsdatum: 13. August 2024