La produzione di dispositivi a semiconduttore comprende principalmente dispositivi discreti, circuiti integrati e relativi processi di confezionamento.
La produzione di semiconduttori può essere suddivisa in tre fasi: produzione del materiale del corpo del prodotto, prodottowaferproduzione e assemblaggio di dispositivi. Tra questi, l'inquinamento più grave riguarda la fase di produzione dei wafer.
Gli inquinanti si dividono principalmente in acque reflue, gas di scarico e rifiuti solidi.
Processo di produzione dei chip:
Wafer di siliciodopo rettifica esterna - pulizia - ossidazione - resist uniforme - fotolitografia - sviluppo - incisione - diffusione, impiantazione ionica - deposizione chimica da vapore - lucidatura chimico-meccanica - metallizzazione, ecc.
Acque reflue
In ogni fase del processo di produzione di semiconduttori e di test sugli imballaggi viene generata una grande quantità di acque reflue, principalmente acque reflue acido-base, acque reflue contenenti ammoniaca e acque reflue organiche.
1. Acque reflue contenenti fluoro:
L'acido fluoridrico diventa il principale solvente utilizzato nei processi di ossidazione e attacco grazie alle sue proprietà ossidanti e corrosive. Le acque reflue contenenti fluoro nel processo provengono principalmente dal processo di diffusione e dal processo di lucidatura chimico-meccanica nel processo di produzione dei chip. Nel processo di pulizia dei wafer di silicio e dei relativi utensili, viene utilizzato molte volte anche l'acido cloridrico. Tutti questi processi vengono completati in vasche di incisione dedicate o apparecchiature di pulizia, in modo che le acque reflue contenenti fluoro possano essere scaricate in modo indipendente. In base alla concentrazione, possono essere suddivisi in acque reflue contenenti fluoro ad alta concentrazione e acque reflue contenenti ammoniaca a bassa concentrazione. Generalmente, la concentrazione di acque reflue contenenti ammoniaca ad alta concentrazione può raggiungere 100-1200 mg/L. La maggior parte delle aziende ricicla questa parte delle acque reflue per processi che non richiedono un'elevata qualità dell'acqua.
2. Acque reflue acido-base:
Quasi ogni processo nel processo di produzione dei circuiti integrati richiede la pulizia del chip. Attualmente, l'acido solforico e il perossido di idrogeno sono i fluidi detergenti più comunemente utilizzati nel processo di produzione dei circuiti integrati. Allo stesso tempo vengono utilizzati anche reagenti acido-base come acido nitrico, acido cloridrico e acqua ammoniacale.
Le acque reflue acido-base del processo di produzione provengono principalmente dal processo di pulizia nel processo di produzione dei trucioli. Nel processo di confezionamento, il chip viene trattato con una soluzione acido-base durante la galvanica e l'analisi chimica. Dopo il trattamento, deve essere lavato con acqua pura per produrre acque reflue di lavaggio acido-base. Inoltre, nella stazione dell'acqua pura vengono utilizzati anche reagenti acido-base come idrossido di sodio e acido cloridrico per rigenerare le resine anioniche e cationiche per produrre acque reflue con rigenerazione acido-base. L'acqua di scarico viene prodotta anche durante il processo di lavaggio dei gas di scarico acido-base. Nelle aziende produttrici di circuiti integrati la quantità di acque reflue acido-base è particolarmente elevata.
3. Acque reflue organiche:
A causa dei diversi processi di produzione, la quantità di solventi organici utilizzati nell'industria dei semiconduttori è molto diversa. Tuttavia, come detergenti, i solventi organici sono ancora ampiamente utilizzati in vari ambiti della produzione di imballaggi. Alcuni solventi diventano scarichi di acque reflue organiche.
4. Altre acque reflue:
Il processo di incisione del processo di produzione dei semiconduttori utilizzerà una grande quantità di ammoniaca, fluoro e acqua ad elevata purezza per la decontaminazione, generando così scarichi di acque reflue contenenti ammoniaca ad alta concentrazione.
Il processo di galvanica è necessario nel processo di confezionamento dei semiconduttori. Il chip deve essere pulito dopo la galvanica e in questo processo verranno generate acque reflue di pulizia galvanica. Poiché alcuni metalli vengono utilizzati nella galvanica, si verificheranno emissioni di ioni metallici nelle acque reflue della pulizia galvanica, come piombo, stagno, disco, zinco, alluminio, ecc.
Gas di scarico
Poiché il processo dei semiconduttori presenta requisiti estremamente elevati in termini di pulizia della sala operatoria, i ventilatori vengono solitamente utilizzati per estrarre diversi tipi di gas di scarico volatilizzati durante il processo. Pertanto, le emissioni di gas di scarico nell'industria dei semiconduttori sono caratterizzate da un grande volume di scarico e da una bassa concentrazione di emissioni. Anche le emissioni di gas di scarico sono principalmente volatilizzate.
Queste emissioni di gas di scarico possono essere principalmente suddivise in quattro categorie: gas acido, gas alcalino, gas di scarico organico e gas tossico.
1. Gas di scarico acido-base:
I gas di scarico acido-base provengono principalmente dalla diffusione,CVD, CMP e processi di incisione, che utilizzano una soluzione detergente acido-base per pulire il wafer.
Attualmente, il solvente detergente più comunemente utilizzato nel processo di produzione dei semiconduttori è una miscela di perossido di idrogeno e acido solforico.
Il gas di scarico generato in questi processi comprende gas acidi come acido solforico, acido fluoridrico, acido cloridrico, acido nitrico e acido fosforico, mentre il gas alcalino è principalmente ammoniaca.
2. Gas di scarico organici:
Il gas di scarico organico proviene principalmente da processi quali fotolitografia, sviluppo, attacco e diffusione. In questi processi, la soluzione organica (come l'alcol isopropilico) viene utilizzata per pulire la superficie del wafer e il gas di scarico generato dalla volatilizzazione è una delle fonti di gas di scarico organico;
Allo stesso tempo, il fotoresist (fotoresist) utilizzato nel processo di fotolitografia e incisione contiene solventi organici volatili, come l'acetato di butile, che volatilizza nell'atmosfera durante il processo di lavorazione dei wafer, che è un'altra fonte di gas di scarico organico.
3. Gas di scarico tossici:
I gas di scarico tossici provengono principalmente da processi quali l'epitassia dei cristalli, l'attacco a secco e la CVD. In questi processi, per la lavorazione del wafer vengono utilizzati diversi gas speciali ad elevata purezza, come silicio (SiHj), fosforo (PH3), tetracloruro di carbonio (CFJ), borano, triossido di boro, ecc. Alcuni gas speciali sono tossici, asfissiante e corrosivo.
Allo stesso tempo, nel processo di incisione a secco e pulizia dopo la deposizione di vapori chimici nella produzione di semiconduttori, è necessaria una grande quantità di gas di ossido completo (PFCS), come NFS, C2F&CR, C3FS, CHF3, SF6, ecc. Questi composti perfluorurati hanno un forte assorbimento nella regione della luce infrarossa e rimangono nell'atmosfera per lungo tempo. Sono generalmente considerati la principale fonte dell’effetto serra globale.
4. Gas di scarico del processo di confezionamento:
Rispetto al processo di produzione dei semiconduttori, il gas di scarico generato dal processo di imballaggio dei semiconduttori è relativamente semplice, principalmente gas acido, resina epossidica e polvere.
Il gas di scarico acido viene generato principalmente in processi come la galvanica;
Il gas di scarico della cottura viene generato durante il processo di cottura dopo l'incollaggio e la sigillatura del prodotto;
La macchina per cubetti genera gas di scarico contenenti tracce di polvere di silicio durante il processo di taglio dei wafer.
Problemi di inquinamento ambientale
Per quanto riguarda i problemi di inquinamento ambientale nell’industria dei semiconduttori, i principali problemi da risolvere sono:
· Emissione su larga scala di inquinanti atmosferici e composti organici volatili (COV) nel processo di fotolitografia;
· Emissione di composti perfluorurati (PFCS) nei processi di attacco al plasma e deposizione chimica in fase vapore;
· Consumo su larga scala di energia e acqua nella produzione e tutela della sicurezza dei lavoratori;
· Riciclaggio e monitoraggio dell'inquinamento dei sottoprodotti;
· Problemi legati all'utilizzo di sostanze chimiche pericolose nei processi di imballaggio.
Produzione pulita
La tecnologia di produzione pulita dei dispositivi a semiconduttore può essere migliorata dal punto di vista delle materie prime, dei processi e del controllo del processo.
Migliorare materie prime ed energia
Innanzitutto, la purezza dei materiali dovrebbe essere rigorosamente controllata per ridurre l'introduzione di impurità e particelle.
In secondo luogo, sui componenti o sui semilavorati in entrata dovrebbero essere eseguiti vari test di temperatura, rilevamento di perdite, vibrazioni, scosse elettriche ad alta tensione e altri test prima che vengano messi in produzione.
Inoltre, la purezza dei materiali ausiliari dovrebbe essere rigorosamente controllata. Esistono relativamente numerose tecnologie che possono essere utilizzate per la produzione pulita di energia.
Ottimizzare il processo produttivo
La stessa industria dei semiconduttori si sforza di ridurre il proprio impatto sull’ambiente attraverso miglioramenti della tecnologia di processo.
Ad esempio, negli anni '70, i solventi organici venivano utilizzati principalmente per pulire i wafer nella tecnologia di pulizia dei circuiti integrati. Negli anni '80 per pulire i wafer venivano utilizzate soluzioni acide e alcaline come l'acido solforico. Fino agli anni ’90 è stata sviluppata la tecnologia di pulizia con ossigeno al plasma.
In termini di imballaggio, la maggior parte delle aziende attualmente utilizza la tecnologia galvanica, che causerà inquinamento da metalli pesanti nell’ambiente.
Tuttavia, gli stabilimenti di imballaggio di Shanghai non utilizzano più la tecnologia galvanica, quindi non vi è alcun impatto dei metalli pesanti sull’ambiente. Si può constatare che l’industria dei semiconduttori sta gradualmente riducendo il proprio impatto sull’ambiente attraverso miglioramenti di processo e sostituzione di sostanze chimiche nel proprio processo di sviluppo, che segue anche l’attuale tendenza di sviluppo globale di sostenere la progettazione di processi e prodotti basata sull’ambiente.
Attualmente vengono apportati ulteriori miglioramenti ai processi locali, tra cui:
·Sostituzione e riduzione del gas PFCS composto interamente da ammonio, ad esempio utilizzando gas PFC a basso effetto serra per sostituire il gas ad alto effetto serra, ad esempio migliorando il flusso di processo e riducendo la quantità di gas PFCS utilizzato nel processo;
·Miglioramento della pulizia multi-wafer rispetto a quella di un singolo wafer per ridurre la quantità di detergenti chimici utilizzati nel processo di pulizia.
·Controllo di processo rigoroso:
UN. Realizzare l'automazione del processo di produzione, in grado di realizzare lavorazioni precise e produzione in lotti e ridurre l'elevato tasso di errore delle operazioni manuali;
B. Fattori ambientali di processo ultrapuliti, circa il 5% o meno della perdita di rendimento è causata dalle persone e dall'ambiente. I fattori ambientali del processo ultra pulito includono principalmente la pulizia dell'aria, l'acqua ad elevata purezza, l'aria compressa, CO2, N2, temperatura, umidità, ecc. Il livello di pulizia di un'officina pulita è spesso misurato dal numero massimo di particelle consentite per unità di volume di aria, cioè concentrazione del conteggio delle particelle;
C. Rafforzare il rilevamento e selezionare i punti chiave appropriati per il rilevamento nelle postazioni di lavoro con grandi quantità di rifiuti durante il processo di produzione.
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Orario di pubblicazione: 13 agosto 2024