La production de dispositifs semi-conducteurs comprend principalement les composants discrets, les circuits intégrés et leurs procédés d'encapsulation.
La production de semi-conducteurs peut être divisée en trois étapes : la production du matériau du corps du produit, la fabrication du produittranchefabrication et assemblage des dispositifs. Parmi ces étapes, la plus polluante est celle de la fabrication des plaquettes de silicium.
Les polluants se divisent principalement en eaux usées, gaz résiduaires et déchets solides.
Processus de fabrication des puces :
plaquette de siliciumaprès meulage externe - nettoyage - oxydation - résine uniforme - photolithographie - développement - gravure - diffusion, implantation ionique - dépôt chimique en phase vapeur - polissage chimico-mécanique - métallisation, etc.
eaux usées
Chaque étape du processus de fabrication et de test d'emballage des semi-conducteurs génère une grande quantité d'eaux usées, principalement des eaux usées acides et basiques, des eaux usées contenant de l'ammoniac et des eaux usées organiques.
1. Eaux usées contenant du fluor :
L'acide fluorhydrique est le principal solvant utilisé dans les procédés d'oxydation et de gravure en raison de ses propriétés oxydantes et corrosives. Les eaux usées fluorées proviennent principalement des procédés de diffusion et de polissage chimico-mécanique lors de la fabrication des puces. L'acide chlorhydrique est également fréquemment utilisé lors du nettoyage des plaquettes de silicium et des ustensiles associés. Tous ces procédés sont réalisés dans des cuves de gravure ou des équipements de nettoyage dédiés, permettant ainsi le rejet séparé des eaux usées fluorées. Selon leur concentration, on distingue les eaux usées à forte concentration en fluor et celles à faible concentration en ammoniac. Généralement, la concentration d'ammoniac dans les eaux usées à forte concentration peut atteindre 100 à 1 200 mg/L. La plupart des entreprises recyclent cette fraction des eaux usées pour des procédés ne nécessitant pas une eau de haute qualité.
2. Eaux usées acides et basiques :
Presque toutes les étapes de la fabrication des circuits intégrés nécessitent le nettoyage de la puce. Actuellement, l'acide sulfurique et le peroxyde d'hydrogène sont les fluides de nettoyage les plus couramment utilisés. Parallèlement, des réactifs acido-basiques tels que l'acide nitrique, l'acide chlorhydrique et l'ammoniaque sont également employés.
Les eaux usées acides et basiques issues du processus de fabrication proviennent principalement du nettoyage lors de la fabrication des puces. Lors de l'encapsulation, la puce est traitée avec une solution acide et basique pendant l'électrodéposition et l'analyse chimique. Après traitement, elle doit être rincée à l'eau pure, générant ainsi des eaux usées de lavage acide et basique. Par ailleurs, des réactifs acide et basique tels que l'hydroxyde de sodium et l'acide chlorhydrique sont également utilisés dans la station de traitement d'eau pure pour régénérer les résines anioniques et cationiques, produisant ainsi des eaux usées de régénération acide et basique. Des eaux résiduaires de lavage sont également produites lors du lavage des gaz résiduaires acides et basiques. Dans les entreprises de fabrication de circuits intégrés, la quantité d'eaux usées acides et basiques est particulièrement importante.
3. Eaux usées organiques :
En raison des différents procédés de production, la quantité de solvants organiques utilisés dans l'industrie des semi-conducteurs varie considérablement. Cependant, comme agents de nettoyage, les solvants organiques restent largement utilisés à différentes étapes de la fabrication des emballages. Certains de ces solvants se retrouvent dans les eaux usées organiques rejetées dans l'industrie.
4. Autres eaux usées :
Le procédé de gravure utilisé dans la production de semi-conducteurs consomme une grande quantité d'ammoniac, de fluor et d'eau de haute pureté pour la décontamination, générant ainsi des rejets d'eaux usées à forte concentration d'ammoniac.
Le procédé de galvanoplastie est indispensable à la fabrication des semi-conducteurs. Après galvanoplastie, la puce doit être nettoyée, ce qui génère des eaux usées. Ces eaux usées contiennent des ions métalliques, tels que du plomb, de l'étain, du zinc et de l'aluminium, présents lors du processus de galvanoplastie.
gaz résiduaires
Le procédé de fabrication des semi-conducteurs exigeant une propreté extrême des salles de production, des ventilateurs sont généralement utilisés pour extraire les différents types de gaz résiduaires volatils générés. Par conséquent, les émissions de gaz résiduaires dans l'industrie des semi-conducteurs se caractérisent par un volume d'échappement important et une faible concentration. Ces émissions sont principalement constituées de gaz volatils.
Ces émissions de gaz résiduaires peuvent être principalement divisées en quatre catégories : gaz acides, gaz alcalins, gaz résiduaires organiques et gaz toxiques.
1. Gaz résiduaires acides et basiques :
Les gaz résiduaires acides et basiques proviennent principalement de la diffusion,CVD, les procédés de CMP et de gravure, qui utilisent une solution de nettoyage acide-base pour nettoyer la plaquette.
À l'heure actuelle, le solvant de nettoyage le plus couramment utilisé dans le processus de fabrication des semi-conducteurs est un mélange de peroxyde d'hydrogène et d'acide sulfurique.
Les gaz résiduaires générés par ces procédés comprennent des gaz acides tels que l'acide sulfurique, l'acide fluorhydrique, l'acide chlorhydrique, l'acide nitrique et l'acide phosphorique, et le gaz alcalin est principalement de l'ammoniac.
2. Gaz résiduaires organiques :
Les gaz résiduaires organiques proviennent principalement de procédés tels que la photolithographie, le développement, la gravure et la diffusion. Dans ces procédés, une solution organique (telle que l'alcool isopropylique) est utilisée pour nettoyer la surface de la plaquette, et les gaz résiduaires générés par volatilisation constituent l'une des sources de ces gaz résiduaires organiques.
Dans le même temps, la résine photosensible utilisée dans le processus de photolithographie et de gravure contient des solvants organiques volatils, tels que l'acétate de butyle, qui se volatilisent dans l'atmosphère pendant le processus de traitement des plaquettes, ce qui constitue une autre source de gaz résiduaires organiques.
3. Gaz résiduaires toxiques :
Les gaz résiduaires toxiques proviennent principalement de procédés tels que l'épitaxie cristalline, la gravure sèche et le dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Ces procédés utilisent divers gaz spéciaux de haute pureté pour le traitement des plaquettes, comme le silicium (SiH₄), le phosphore (PH₃), le tétrachlorure de carbone (CF₄), le borane, le trioxyde de bore, etc. Certains de ces gaz sont toxiques, asphyxiants et corrosifs.
Parallèlement, les procédés de gravure sèche et de nettoyage post-dépôt chimique en phase vapeur dans la fabrication des semi-conducteurs nécessitent une grande quantité de gaz oxydants (PFCS), tels que NFS, C2F&CR, C3FS, CHF3, SF6, etc. Ces composés perfluorés présentent une forte absorption dans l'infrarouge et persistent longtemps dans l'atmosphère. Ils sont généralement considérés comme la principale source de l'effet de serre.
4. Gaz résiduaires du processus d'emballage :
Comparé au processus de fabrication des semi-conducteurs, le processus d'encapsulation des semi-conducteurs génère des gaz résiduaires relativement simples, principalement des gaz acides, de la résine époxy et de la poussière.
Les gaz résiduaires acides sont principalement générés par des procédés tels que la galvanoplastie ;
Des gaz résiduaires de cuisson sont générés lors du processus de cuisson après l'encollage et le scellage du produit ;
La machine de découpe génère des gaz résiduaires contenant des traces de poussière de silicium lors du processus de découpe des plaquettes.
problèmes de pollution environnementale
Concernant les problèmes de pollution environnementale dans l'industrie des semi-conducteurs, les principaux problèmes à résoudre sont les suivants :
• Émission à grande échelle de polluants atmosphériques et de composés organiques volatils (COV) lors du processus de photolithographie ;
• Émission de composés perfluorés (PFCS) dans les procédés de gravure plasma et de dépôt chimique en phase vapeur ;
• Consommation à grande échelle d’énergie et d’eau pour la production et la protection de la sécurité des travailleurs ;
• Recyclage et surveillance de la pollution des sous-produits ;
• Problèmes liés à l'utilisation de produits chimiques dangereux dans les procédés d'emballage.
production propre
Les technologies de production propre des dispositifs semi-conducteurs peuvent être améliorées au niveau des matières premières, des procédés et du contrôle des procédés.
Amélioration des matières premières et de l'énergie
Premièrement, la pureté des matériaux doit être strictement contrôlée afin de réduire l'introduction d'impuretés et de particules.
Deuxièmement, divers tests de température, de détection de fuites, de vibrations, de chocs électriques à haute tension et autres doivent être effectués sur les composants entrants ou les produits semi-finis avant leur mise en production.
De plus, la pureté des matières premières auxiliaires doit être rigoureusement contrôlée. Il existe relativement de nombreuses technologies permettant une production d'énergie propre.
Optimiser le processus de production
L'industrie des semi-conducteurs elle-même s'efforce de réduire son impact sur l'environnement grâce à des améliorations des procédés de fabrication.
Par exemple, dans les années 1970, les solvants organiques étaient principalement utilisés pour le nettoyage des plaquettes de silicium dans le cadre des technologies de nettoyage des circuits intégrés. Dans les années 1980, des solutions acides et alcalines, comme l'acide sulfurique, ont été employées. Ce n'est que dans les années 1990 que la technologie de nettoyage par plasma d'oxygène a été mise au point.
En matière d'emballage, la plupart des entreprises utilisent actuellement la technologie de galvanoplastie, ce qui entraîne une pollution de l'environnement par les métaux lourds.
Cependant, les usines d'emballage de Shanghai n'utilisent plus la technologie de galvanoplastie, ce qui élimine tout impact environnemental lié aux métaux lourds. On constate ainsi que l'industrie des semi-conducteurs réduit progressivement son impact environnemental grâce à l'amélioration des procédés et à la substitution de produits chimiques dans son processus de développement, s'inscrivant ainsi dans la tendance mondiale actuelle qui privilégie une conception des procédés et des produits respectueuse de l'environnement.
Actuellement, des améliorations supplémentaires des processus locaux sont mises en œuvre, notamment :
•Remplacement et réduction du gaz PFCS entièrement ammonium, par exemple en utilisant un gaz PFC à faible effet de serre pour remplacer un gaz à fort effet de serre, par exemple en améliorant le flux de processus et en réduisant la quantité de gaz PFCS utilisée dans le processus ;
• Amélioration du nettoyage multi-plaquettes par un nettoyage mono-plaquette afin de réduire la quantité d'agents chimiques de nettoyage utilisés dans le processus de nettoyage.
• Contrôle strict des processus :
a. Réaliser l'automatisation du processus de fabrication, permettant un traitement précis et une production par lots, et réduisant le taux d'erreur élevé des opérations manuelles ;
b. Facteurs environnementaux des procédés ultra-propres : environ 5 % ou moins des pertes de rendement sont dues à l’homme et à l’environnement. Les principaux facteurs environnementaux des procédés ultra-propres comprennent la pureté de l’air, l’eau de haute pureté, l’air comprimé, le CO2, le N2, la température, l’humidité, etc. Le niveau de propreté d’un atelier propre est souvent mesuré par le nombre maximal de particules autorisé par unité de volume d’air, c’est-à-dire la concentration en particules.
c. Renforcer la détection et sélectionner les points clés appropriés pour la détection aux postes de travail générant de grandes quantités de déchets pendant le processus de production.
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Date de publication : 13 août 2024