半導(dǎo)體制造工藝中各類(lèi)廢氣是如何產(chǎn)生的

半導(dǎo)體行業(yè)在芯片制程工藝中，因其不間斷使用有機(jī)溶劑和酸溶液直接產(chǎn)生了大量的有毒有害的廢氣，且需經(jīng)過(guò)廢氣處理達(dá)標(biāo)后才能高空排放。那么，半導(dǎo)體芯片制程工藝LocalScrubber酸性堿性砷排及有機(jī)廢氣處理技術(shù)系統(tǒng)有哪些？半導(dǎo)體制造工藝廢氣來(lái)源及排放特征

半導(dǎo)體行業(yè)芯片制造主要有5個(gè)階段：（1）材料準(zhǔn)備；（2）晶體生長(zhǎng)和晶圓準(zhǔn)備；（3）晶圓制造和探針測(cè)試（初測(cè)）；（4）封裝；（5）終測(cè)。晶體生長(zhǎng)和晶圓準(zhǔn)備階段是集成電路的制造過(guò)程，在半導(dǎo)體生產(chǎn)中產(chǎn)生廢氣大量源于集成電路的制造，其集成電路制造的工藝順序包括：薄膜沉積工藝、光刻工藝、摻雜工藝、清洗工藝，詳細(xì)分析每步工藝中廢氣的來(lái)源及特征。1、薄膜沉積工藝

薄膜淀積是芯片制備的重要過(guò)程，許多材料由沉積工藝形成，如：半導(dǎo)體薄膜（Si、GaAs）、介質(zhì)薄膜（SiO2、Si3N4）、金屬薄膜等。常用的是熱氧化工藝、化學(xué)氣相沉積工藝（CVD）、物理氣相沉積工藝（PVD）。

（1）熱氧化工藝熱氧化的加工工藝是將成批的硅圓片加熱到800~1200℃，通入氧化劑（O2、水蒸氣、Cl2、HCl、C2H2Cl2等）在其表面生成SiO2薄膜層。生成的硅膜可起到器件保護(hù)和隔離、表面鈍化、柵氧電介質(zhì)、摻雜阻擋層等作用。此工藝產(chǎn)生的主要廢氣及來(lái)源：酸性廢氣主要來(lái)源未反應(yīng)的含鹵素氧化劑。

（2）CVD工藝CVD工藝是通過(guò)氣態(tài)物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)在硅片表面生成一層固態(tài)薄膜材料的過(guò)程。此工藝可制備不同類(lèi)型的材料層。其操作過(guò)程是將含具有構(gòu)成薄膜元素的反應(yīng)氣體（SiH4、WF6、NH3、SiH2Cl2、TiCl4等）和一些攜帶氣體（N2、H2、NH3、Ar等）通入反應(yīng)室，依靠反應(yīng)氣體與晶片表面處的濃度差，在硅片上發(fā)生反應(yīng)生成薄膜，隨后反應(yīng)氣及生成的廢氣一起再排出。此工藝合成不同固態(tài)薄膜材料產(chǎn)生的廢氣種類(lèi)是不同的，來(lái)源于未反應(yīng)的原料氣和生成酸性氣體，常見(jiàn)廢氣有：SiH4、SiCl4、SiH2Cl2、PH3、HF、HCl、NH3等。

（3）PVD工藝PVD工藝用于金屬薄膜的制備，如：Al、Ti、Cu、Au、Ni、Mn、Sb膜等。工藝過(guò)程是通過(guò)惰性氣體在低真空下放電獲得正離子，淀積在陽(yáng)極的硅片上，形成金屬薄膜。此工藝以采用惰性氣體，生成的污染物以固廢為主。2、光刻工藝

光刻工藝是這一階段的關(guān)鍵技術(shù)，它是將所需圖形復(fù)制于硅片上。整個(gè)過(guò)程由前端工藝（涂膠、軟烘焙、曝光、顯影、硬烘焙）和后端工藝（刻蝕、剝離去膠，及化學(xué)機(jī)械拋光）組成。

（1）前端工藝前端工藝是在掩膜版上形成對(duì)應(yīng)（或相反）的圖形，工藝過(guò)程如圖所示：

光刻膠主要由樹(shù)脂，感光劑，有機(jī)溶劑和添加劑四部分組成，其中有機(jī)溶劑占主要成分的65%~85%。常用的顯影液有四甲基氫氧化銨、KOH溶液、酮類(lèi)或乙酸酯類(lèi)物質(zhì)等。此工藝中有機(jī)廢氣來(lái)源于光刻膠在軟烘焙和硬烘焙過(guò)程，及光刻膠和顯影液在使用中少量揮發(fā)的。NH3源于顯影液中四甲基氫氧化銨的揮發(fā)。（2）刻蝕工藝刻蝕工藝是將光刻后暴露出的薄膜去除，實(shí)現(xiàn)圖形從光刻膠層到晶圓層的轉(zhuǎn)移。工藝分為：

1）濕法刻蝕；濕法刻蝕?？涛g不同材料所用刻蝕液不同：刻蝕硅的刻蝕液：HNO3、HF、醋酸的混合液；刻蝕二氧化硅的刻蝕液：NH3、異丙醇溶液、HF、NH4F、表面活性劑的混合液；刻蝕氮化硅的刻蝕液：熱磷酸溶液。此工藝產(chǎn)生的主要廢氣及來(lái)源：酸、堿、有機(jī)廢氣，還包括一些氣態(tài)副產(chǎn)物（如H2、NO、NH3等），來(lái)源于刻蝕液的揮發(fā)。

2）干法刻蝕。濕法刻蝕是通過(guò)特定的刻蝕液腐蝕溶解，而干法刻蝕是以氣體為主要媒體的技術(shù)。干法刻蝕。干法刻蝕是以氣體為介質(zhì)，利用等離子體、反應(yīng)離子、高能離子束等技術(shù)轟擊刻蝕。常用的刻蝕氣體大部分為含鹵素氣體，如CF4、Cl2、BCl3、HBr等，還含有H2、O2、CO、N2、Ar、He等。此工藝產(chǎn)生的主要廢氣及來(lái)源：PFC（CF4、SF6、CHF6等）、Cl2、HF、HBr、HCl等酸性氣體。3）剝離去膠剝離去膠工藝在刻蝕后將作為保護(hù)層的光刻膠從硅晶圓片表面除去，也分濕法和干法兩種。其區(qū)別濕法通過(guò)液體浸泡去除光刻膠，干法是利用等離子體技術(shù)分解。

①濕法去膠。將刻蝕好的硅片浸泡在溶劑中，通過(guò)光刻膠溶脹或發(fā)生反應(yīng)將其去除。去膠液分可用有機(jī)溶劑和酸溶液。酸性試劑常用：H2SO4、HNO3、H2O2；有機(jī)溶劑：丙酮、乙氧基丙酸乙酯等。此工藝產(chǎn)生的主要廢氣及來(lái)源：來(lái)自去膠劑揮發(fā)出的酸性廢氣和有機(jī)廢氣。

②干法去膠。主要是通過(guò)等離子體將光刻膠剝除，將殘留的有機(jī)光刻膠分解生成氣態(tài)的CO、CO2和H2O。此工藝產(chǎn)生的主要廢氣及來(lái)源：光刻膠未完全分解生成的有機(jī)廢氣和CO、CO2一般廢氣。

4）平坦化工藝平坦化工藝是去除多余的薄膜，保持晶片表面平整平坦?；瘜W(xué)機(jī)械研磨（CMP）是提供全局平坦化的技術(shù)，其過(guò)程是在硅片上加層拋光液，利用拋光液與硅片反生化學(xué)反應(yīng)，使凸出部分磨平，CMP后的清洗是重要環(huán)節(jié)。此工藝產(chǎn)生的主要廢氣及來(lái)源：后續(xù)清洗過(guò)程中揮發(fā)出的酸、堿、有機(jī)廢氣。3、摻雜工藝

摻雜工藝是將特定量的雜質(zhì)源（磷、硼、砷等）通過(guò)薄膜開(kāi)口摻入到硅晶體表層，以改變其電學(xué)特性。熱擴(kuò)散和離子注入是摻雜主要工藝。熱擴(kuò)散工藝是在高溫下（800~1100℃），將摻雜源（磷烷、砷烷、三氯化硼等）與硅表面反應(yīng)釋放出雜質(zhì)原子，并由表面的高濃度區(qū)向內(nèi)部的低濃度區(qū)擴(kuò)散，Z終分布趨于均勻，屬于化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。而離子注入工藝是在室溫條件下運(yùn)行，摻雜源被離子化后，聚集成束，在電場(chǎng)中加速穿過(guò)硅晶圓片表面或其他薄膜中，是物理反應(yīng)過(guò)程。

摻雜工藝產(chǎn)生的主要廢氣及來(lái)源：含磷烷、砷烷的酸性廢氣。4、清洗工藝

清洗工藝幾乎每一道工藝進(jìn)行前后都必須要對(duì)硅片清洗，清洗后通過(guò)氮?dú)獯蹈桑腿胂碌拦ば?。所用的清洗液（酸、堿、有機(jī)溶劑）根據(jù)去除對(duì)象不盡相同，如表1所示。半導(dǎo)體廢氣處理技術(shù)及系統(tǒng)

半導(dǎo)體行業(yè)芯片主要工藝制程中使用和產(chǎn)生廢氣的來(lái)源和處理工藝，如下表所示：半導(dǎo)體行業(yè)產(chǎn)生的廢氣通過(guò)分類(lèi)密閉收集處理，有酸性廢氣、堿性廢氣、有機(jī)廢氣、一般尾氣等。處理系統(tǒng)有機(jī)臺(tái)端的POU本地處理和廠務(wù)端（Fab）中央處理系統(tǒng)；如熱氧化、CVD、干法刻蝕、離子注入等工藝制程中會(huì)產(chǎn)生特性氣體（硅烷、砷烷、磷烷、全氟烴、含鹵素氣體等有毒和高沸點(diǎn)廢氣），先經(jīng)本地LocalScrubber預(yù)處理，后經(jīng)入廠務(wù)端的中央處理系統(tǒng)集中處理。

中央處理系統(tǒng)集中處理有酸性廢氣處理系統(tǒng)（SEX）、堿性廢氣處理系統(tǒng)（AEX）、有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)（VEX）、砷排處理系統(tǒng)（ASX）、一般排氣系統(tǒng)（GEX）等，其中一般排氣系統(tǒng)所排廢氣無(wú)污染，起排風(fēng)散熱作用。1、LocalScrubber本地處理

LocalScrubber預(yù)處理可避免從排氣過(guò)程中引發(fā)風(fēng)管堵塞、管路腐蝕、局部聚積或氣體相互反應(yīng)，導(dǎo)致氣體泄漏、火災(zāi)爆炸等事故。LocalScrubber的處理方法有燃燒水洗、高溫水洗、等離子水洗、干法吸附等。經(jīng)LocalScrubber處理后的廢氣主要為氟化物、氯化氫、氯氣等，進(jìn)入廠務(wù)端酸性廢氣系統(tǒng)集中處理。2、酸性廢氣處理系統(tǒng)

酸性廢氣來(lái)源于清洗、濺射、濕法刻蝕、濕法去膠和經(jīng)LocalScrubber處理后的工藝廢氣，其主要組成為HF、HCl、Cl2、H2SO4、SO2等。酸性廢氣利用酸堿中和反應(yīng)，采用噴淋洗滌工藝。常用的吸收液為>25%NaOH或NaClO溶液。該系統(tǒng)主要由堿液洗滌塔、通風(fēng)機(jī)、排氣管和加藥系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)采用pH值、液位值和電導(dǎo)值控制水箱中堿液的加入和補(bǔ)/排水的循環(huán)，通過(guò)測(cè)量液位控制補(bǔ)水，電導(dǎo)率控制排水；pH值控制堿液的加入。整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化控制，免除人工加藥及檢測(cè)過(guò)程，操作方便，易于檢修。

3、堿性廢氣處理系統(tǒng)

堿性廢氣主要來(lái)源于清洗、濕法刻蝕、光刻顯影、去膠、CMP等工藝，污染物為NH3、NaOH等。堿性廢氣處理工藝也采用噴淋洗滌處理，常用吸收液為H2SO4溶液。酸堿洗滌塔有臥室和立式兩種結(jié)構(gòu)，臥式洗滌塔一般適用對(duì)高度有限制的場(chǎng)地，而立式洗滌塔用于廠地面積有限但高度無(wú)限的項(xiàng)目上，其處理效率不受影響都可達(dá)98%。洗滌凈化措施是控制氣態(tài)污染物的重要治理技術(shù)之一，尤其在芯片生產(chǎn)中應(yīng)用相當(dāng)普遍，具有運(yùn)行穩(wěn)定，投資少、運(yùn)行費(fèi)低等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生污水帶來(lái)二次污染。

4、有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)

有機(jī)廢氣主要來(lái)源于清洗、CVD、光刻、濕法刻蝕、去膠及擴(kuò)散等工藝。有機(jī)廢氣種類(lèi)主要包括異丙醇、丙酮、丙二醇單甲醚乙酸酯、乳酸乙酯、乙酸丁酯、重芳烴等。半導(dǎo)體行業(yè)排放的VOCs廢氣具有風(fēng)量大，濃度低的特點(diǎn)，其風(fēng)量通常大于11000m3/h，濃度大約在50~1000mg/m3之間（以非甲烷總烴計(jì)）。常用的處理技術(shù)為活性炭吸附和沸石濃縮轉(zhuǎn)輪+焚燒，經(jīng)調(diào)研分析現(xiàn)有企業(yè)以沸石濃縮轉(zhuǎn)輪+焚燒技術(shù)處理為主。焚燒技術(shù)有蓄熱式燃燒（RTO）和直接燃燒（TO），效率都可達(dá)≥95%，但