半導體企業(yè)危險源特征與評價案例分析

石斌，劉潤滋(北京國信安科技術有限公司，北京 100160)

0 引言

半導體由于其獨特的導電性能，是集成電路元器件加工不可或缺的原料。發(fā)展半導體行業(yè)，促進自有芯片的研發(fā)，是今后影響國計民生的重要舉措[1]。

然而在半導體加工制造過程中，不可避免地將涉及各類化學藥劑與氣體的使用，甚至包括不少易燃易爆與含毒性的危化品。例如，在半導體原料清洗工藝中，即通常需采用雙氧水等危化品對半導體晶圓進行初步處理[2]。而在半導體晶圓的蝕刻工藝中，則需使用如氫氟酸、鹽酸等具有腐蝕性與毒性的危化品[3]。這些危化品的使用與儲存都將給半導體企業(yè)的安全生產(chǎn)帶來隱患。

因此，本文將針對半導體制造工藝特征，分析半導體企業(yè)危險源的特征，并以某半導體企業(yè)的安全評價為例，分析半導體企業(yè)危險源的識別方法與對策。從而為今后相關企業(yè)的安評工作提供借鑒，為我國半導體的安全生產(chǎn)保駕護航。

1 半導體企業(yè)危險源特征

1.1 半導體企業(yè)的選址特征

半導體企業(yè)特別是高端芯片制造企業(yè)在我國屬于新興的高新技術企業(yè)。且半導體制造需保證穩(wěn)定的原料供給，便利的運輸條件，充足的水源和大量的勞動力投入等。因此，盡管其生產(chǎn)過程中涉及大量危化品，且存在有毒有害氣體的泄漏風險，但由于相關的環(huán)境影響與安全評價認識不足，我國的相關企業(yè)選址仍以交通便利、水源豐富且周邊人口較為密集的區(qū)域為主。例如三星中國半導體有限公司，其芯片制造廠選址為西安高新綜合保稅區(qū)，距離周邊居民區(qū)、學校甚至與河生態(tài)公園距離均較近[4]。而與之對比，美國德州儀器公司的芯片廠則選址在離居民區(qū)較遠的達拉斯市郊區(qū)。

1.2 半導體企業(yè)生產(chǎn)工藝中的危險源特征

半導體的加工生產(chǎn)工藝主要包括晶圓清洗拋光、光刻蝕刻與離子摻雜幾大部分[5]。

1.2.1 半導體晶圓清洗工藝的危險源特征

利用半導體晶圓加工制作集成電路，首先需要對晶圓進行清洗處理，通過對晶圓噴射化學試劑，以去除晶圓表面的有機污染物或本征氧化物，為后續(xù)加工做準備。常用的RCA 標準清洗方法，將使用雙氧水、硫酸、氫氟酸等危化品試劑作為清洗液[6]。而相對于傳統(tǒng)的化工企業(yè)，上述試劑用量不大，且由于制造工藝的需要，對化學藥劑的純度要求非常高。

1.2.2 光刻蝕刻工藝的危險源特征

利用半導體原料加工制作集成電路，需要利用光刻蝕刻方法對半導體晶圓進行加工處理。光刻即利用光刻機對涂有感光劑的晶圓按照設計路線進行感光處理，從而“繪制”出相應的電路圖。蝕刻則是利用化學侵蝕的方式“繪制”出設計電路圖[7]。兩類晶圓加工過程均需保持一定的氣體環(huán)境。特別是光刻加工，對氣體折射非常敏感，光刻氣體環(huán)境要求也更高。而為保證氣體環(huán)境，則涉及到多種氣體的使用，包括氨氣、氯氣等易燃易爆氣體。此外，上述工藝中使用的光刻膠與蝕刻劑等也涉及如異丙醇、環(huán)己酮等易燃化學藥劑。這些均為半導體加工過程帶來了安全隱患。

1.2.3 摻雜工藝的危險源特征

摻雜指將一定量的導電雜質(zhì)摻入半導體材料的工藝。經(jīng)光刻蝕刻后的半導體晶圓，通常需進行離子摻雜處理，以保證晶圓的電學特性符合設計要求[8]。而離子摻雜過程中，需保證一定的氣體環(huán)境，將涉及氨氣、氟乙烷等易燃易爆氣體，為工藝生產(chǎn)過程帶來安全隱患。

2 半導體企業(yè)危險源識別與安全評價案例

2.1 案例背景

某半導體科技有限公司擬在北京經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)新建半導體集成電路設計加工與裝備研發(fā)制造生產(chǎn)線。目前該生產(chǎn)線的建設仍處于可研階段，需要對其廠房設計與工藝設計中存在的危險源進行識別與評價，從而保證該項目的順利進行。

2.2 企業(yè)危險源特征與識別

2.2.1 企業(yè)選址及建構筑物危險有害因素辨識

該企業(yè)所在場地位于某高新開發(fā)區(qū)內(nèi)，是該地區(qū)重要的高新技術產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)。企業(yè)選址距離最近的居民區(qū)約8 km，距離最近的交通樞紐約2.8 km，距最近的高速路入口距離約6.8 km。

該企業(yè)的設計選址目前周邊主要為工業(yè)用地，符合環(huán)境保護要求，因目前處于可研階段，還沒有詳細的地質(zhì)勘查資料。后期若在設計、施工過程中發(fā)生地面沉陷、建構筑物坍塌等問題，則需進行專項分析。

2.2.2 主體生產(chǎn)與儲存系統(tǒng)中主要危險有害因素辨識

企業(yè)主體生產(chǎn)過程。企業(yè)生產(chǎn)過程中由于蝕刻、去膠與退火設備的制造要求，需要保證各項氣體環(huán)境，因而涉及到多種特種氣體和大宗氣體，其中多種氣體為易燃易爆氣體，如：氫氣、氯氣、氨氣等，如在輸送、使用過程中管道、閥門等處發(fā)生泄漏、氣體泄漏報警系統(tǒng)故障或失效，易燃氣體與空氣混合達到爆炸極限，遇靜電、高溫等將會導致火災爆炸。

特種氣體儲存供應系統(tǒng)。企業(yè)生產(chǎn)中涉及的特種氣體包括氯氣、氨氣、氮氫混合氣等。特種氣體供應系統(tǒng)設置在生產(chǎn)廠房特氣間內(nèi)，采用鋼瓶供氣，鋼瓶設置在氣瓶柜內(nèi)。其中氨氣、氮氫混合氣等易燃易爆氣體，氣瓶在裝卸和存放過程中，如操作不當或缺少防傾倒措施，可能發(fā)生氣體外泄，遇火花、靜電、高熱等可能導致火災爆炸事故。

大宗氣體儲存供應系統(tǒng)。企業(yè)生產(chǎn)中涉及的大宗氣體為氮氣、氧氣、氬氣、氦氣、氫氣，其中氮氣、氬氣和氧氣擬采用儲罐儲存于氮氧站。氦氣和氫氣分別由氫氣間和氦氣間的集裝格供應。其中氫氣為高度易燃易爆物質(zhì)，在氣瓶裝卸、儲存、更換以及氣體純化輸送過程中，或因多種原因導致泄漏，達到爆炸極限時，遇明火、靜電火花等將導致嚴重火災爆炸事故。

2.3 主要評價結果及建議

根據(jù)該企業(yè)特點，采用安全檢查表法和預先危險性分析法進行評價。

2.3.1 主體生產(chǎn)工藝安全評價結果及建議

經(jīng)分析，企業(yè)生產(chǎn)過程中的刻蝕設備試驗、干式去膠系統(tǒng)試驗、快速熱處理設備生產(chǎn)過程中，火災爆炸、中毒窒息的危險等級為Ⅲ級；生產(chǎn)過程中使用的氯氣為劇毒物質(zhì)，氨氣為高毒性物質(zhì)，一旦發(fā)生泄漏，會發(fā)生人員中毒死亡事故；生產(chǎn)過程中化學灼傷、灼燙、觸電、機械傷害、物體打擊、噪聲、非電離輻射的危險等級均為Ⅱ級(臨界的)，處于事故的邊緣狀態(tài)，暫時還不會造成人員傷亡，但應予排除或采取控制措施。

2.3.2 特種氣體和大宗氣體儲存供應系統(tǒng)安全評價結果及建議

經(jīng)分析，特種氣體和大宗氣體儲存系統(tǒng)火災爆炸、中毒窒息的危險等級為Ⅲ級(危險的)，一旦發(fā)生事故，將造成嚴重后果；其他危險因素的危險等級為Ⅱ級(臨界的)，處于事故的邊緣狀態(tài)，暫時還不會造成人員傷亡，但應予排除或采取控制措施。

企業(yè)儲存的大宗氣體氦氣和氫氣擬采用氣瓶集裝格的形式存儲，但氫氣為易燃易爆氣體，其積聚處宜設置固定式可燃氣體檢測報警儀。

3 結語

半導體制造需保證穩(wěn)定的原料供給，便利的運輸條件及大量的勞動力投入，但因其生產(chǎn)工藝需要，生產(chǎn)過程中涉及大量危化品，且存在有毒有害氣體的泄漏風險。相關企業(yè)選址時需充分考慮上述兩項特征。

半導體的加工制造過程復雜，常見的清洗、蝕刻與摻雜等工藝均需保證一定的氣體環(huán)境，因而涉及到氨氣、氯氣等多種易燃易爆氣體。此外，生產(chǎn)過程中使用的光刻膠與蝕刻劑等涉及如異丙醇、環(huán)己酮等易燃化學藥劑也可能對安全生產(chǎn)帶來隱患。

通過案例分析，闡釋了半導體企業(yè)安全評價過程需注意的各項問題，其選址需關注企業(yè)與周邊交通樞紐及居民區(qū)的安全距離；其主體生產(chǎn)區(qū)域及氣體儲存供應系統(tǒng)均需關注多種危化氣體帶來的安全隱患。案例分析的結果可為今后相類似的企業(yè)安評工作提供借鑒。