半導(dǎo)體行業(yè)的工藝及其帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題

劉雪

（上海市節(jié)能減排中心有限公司，上海 200003）

0.引言

半導(dǎo)體行業(yè)是各種產(chǎn)品和服務(wù)的基礎(chǔ)，在新興技術(shù)（例如高性能計(jì)算、5G、物聯(lián)網(wǎng)等）中發(fā)揮關(guān)鍵的促成作用。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的全球領(lǐng)導(dǎo)者主要分布在歐洲、日本、韓國(guó)、中國(guó)臺(tái)灣和美國(guó)。中國(guó)作為世界半導(dǎo)體第一大消費(fèi)市場(chǎng)，芯片國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程刻不容緩。近年來(lái)，國(guó)家加大了對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)的投入，引進(jìn)了一大批晶圓廠在國(guó)內(nèi)陸續(xù)投產(chǎn)，其中2017—2020年就有26座新晶圓廠投產(chǎn)[1]。2020年，受到疫情的影響，半導(dǎo)體行業(yè)引進(jìn)建廠工作短暫停滯，現(xiàn)今已全面恢復(fù)，而且近年來(lái)國(guó)家對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)予以了大力支持，進(jìn)行了政策和資金上的扶持，為國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體的發(fā)展開(kāi)啟了黃金時(shí)代。在國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體行業(yè)蓬勃發(fā)展的同時(shí)，將會(huì)誕生一大批半導(dǎo)體材料公司[2]，為我國(guó)的發(fā)展做貢獻(xiàn)。

半導(dǎo)體行業(yè)生產(chǎn)制造的過(guò)程涉及多種原材料，部分原材料毒性較大、使用量大，且生產(chǎn)過(guò)程也會(huì)產(chǎn)生有毒性的伴生物質(zhì)，若毒性物質(zhì)泄露，將對(duì)我國(guó)環(huán)境造成極大的影響，造成不可逆轉(zhuǎn)的生態(tài)破壞[3]。本文在分析半導(dǎo)體行業(yè)生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，探討其所帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題及治理措施，最后提出建議。

1.半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝

半導(dǎo)體生產(chǎn)制造過(guò)程可以分為3個(gè)階段：晶體材料生產(chǎn)階段、各種型號(hào)晶片制造階段和組裝階段，其中污染最輕的組裝階段僅涉及組裝工藝，污染較為嚴(yán)重的是晶片制造階段。其主要工藝步驟為：清洗、鍵合、氧化、摻雜、光刻、刻蝕等階段。

清洗工藝為保留芯片表面特性，采用化學(xué)溶液有效的清除半導(dǎo)體硅片表面的灰塵、殘留有機(jī)物和吸附在表面的各種離子，主要產(chǎn)生各類廢氣及廢液。

晶圓鍵合以有無(wú)中間過(guò)渡層可分為直接鍵合和中間層鍵合，而直接鍵合方式具有鍵合強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì)，是目前應(yīng)用的主流，鍵合工序污染較小僅產(chǎn)生廢水。

氧化是在高溫惰性環(huán)境下，通入氧氣或含氧水汽，將硅片表面的硅氧化生長(zhǎng)氧化層，過(guò)程一般是將作為原料的硅晶圓片放入潔凈的石英爐管中，主要產(chǎn)生工藝廢氣。

摻雜的過(guò)程主要采用離子注入技術(shù)進(jìn)行摻雜，以改變所使用的材料的電學(xué)性質(zhì)，基本原理是：將所摻雜的物質(zhì)離子化之后，在幾千至數(shù)百萬(wàn)伏特電壓的電場(chǎng)下加速，產(chǎn)生較高的能量，注入至薄膜或者硅片的表面。因離子注入會(huì)造成底部晶圓片晶格的損傷，需經(jīng)過(guò)高溫退火進(jìn)行消除；同時(shí)將會(huì)活化注入其中的雜質(zhì)離子，恢復(fù)晶圓片中少數(shù)載流子壽命和載流子遷移率。此外，離子注入的同時(shí)，在電子噴淋裝置中，用氙氣產(chǎn)生的等離子體中和硅片表面的正電荷，主要產(chǎn)生工藝廢氣。

光刻是芯片制造的核心工藝，包括涂膠、曝光、顯影3個(gè)步驟。涂膠工藝是在硅片的表面通過(guò)硅片高速旋轉(zhuǎn)從而使其表面均勻地涂上光刻膠；曝光工藝為使用光刻機(jī)，并使用光掩膜版對(duì)已涂膠的硅片進(jìn)行光照，使光照到部分光刻膠，其他部分光刻膠不會(huì)受到光照，從而使光刻膠性質(zhì)改變；顯影工藝為去除曝光后硅片上的光刻膠，將光照后的光刻膠和未被光照的光刻膠均置于顯影液中，這樣就使其溶解性光刻膠上形成了溝槽，此過(guò)程產(chǎn)生污染較大，產(chǎn)生廢氣、廢水、固體廢物。

刻蝕技術(shù)主要分為兩大類：液態(tài)的濕法刻蝕和氣態(tài)的干法刻蝕。濕法刻蝕為將需要刻蝕的薄膜材料與準(zhǔn)備好的特定的化學(xué)品發(fā)生反應(yīng)，去除光刻膠未覆蓋區(qū)域的薄膜的過(guò)程。干法刻蝕：干法刻蝕也是一種去除光刻膠未覆蓋區(qū)域的薄膜的方法，主要是利用能離子束轟擊或者利用等離子體激活的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行去除，主要產(chǎn)生工藝廢氣。

2.半導(dǎo)體行業(yè)環(huán)境污染及治理措施

半導(dǎo)體行業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的廢氣、廢水、固廢，甚至涉及一類污染物，也會(huì)有一定的噪聲影響。

2.1 廢氣環(huán)境污染及治理措施

廢氣主要為酸性氣體（如氯化氫、氟化氫、硫酸霧、氯氣）、堿性氣體（如：氨）、有機(jī)廢氣等。半導(dǎo)體行業(yè)其排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)企業(yè)的要求為廢氣全部收集，其設(shè)計(jì)規(guī)范要求有備用處理措施，且有處理效率的要求，因此處理措施要求較高。

半導(dǎo)體生產(chǎn)機(jī)臺(tái)一般設(shè)有附屬的廢氣處理裝置，即本地廢氣處理系統(tǒng)，主要分為電加熱水洗式、燃燒水洗式、干式吸附式，根據(jù)廢氣成分不同，廢氣處理措施也不同。電加熱水洗式為通過(guò)電加熱使廢氣氧化產(chǎn)生固體廢物和可溶于水的氣體；燃燒水洗式為通入天然氣高溫燃燒處理廢氣，產(chǎn)生固體廢物和可溶于水的氣體；干式吸附主要為干式吸附設(shè)備配備表面附著金屬氧化物的活性炭吸附筒，含砷廢氣進(jìn)入干式吸附處理設(shè)備后，與吸附筒中活性炭表面附著的金屬氧化物和鈣鹽發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并與活性炭發(fā)生物理吸附而去除。

此外半導(dǎo)體行業(yè)一般設(shè)有中央廢氣處理系統(tǒng)，根據(jù)其污染特性主要包括：酸性廢氣處理系統(tǒng)、堿性廢氣處理系統(tǒng)、有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)等。酸性廢氣處理系統(tǒng)原理是基于酸堿中和反應(yīng)，堿液經(jīng)回圈噴灑而下，利用堿液作吸收液凈化酸霧廢氣。堿性廢氣處理系統(tǒng)廢氣先由管道輸送到廢氣洗滌塔，酸液經(jīng)填料圈噴灑而下，形成霧狀，含堿廢氣經(jīng)廢氣洗滌塔處理，利用酸液作中和吸收液凈化含堿廢氣，堿性廢氣經(jīng)洗滌塔處理達(dá)標(biāo)后排入大氣。有機(jī)廢氣處理系統(tǒng)主要采用一個(gè)預(yù)處理系統(tǒng)、一臺(tái)沸石轉(zhuǎn)輪濃縮和一臺(tái)燃燒爐。其工作原理是：有機(jī)廢氣經(jīng)前置過(guò)濾器預(yù)處理廢氣中的顆粒物及粘性物質(zhì)后，由風(fēng)機(jī)送至沸石轉(zhuǎn)輪的吸附區(qū)，轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)，有機(jī)廢氣在通過(guò)轉(zhuǎn)輪蜂窩狀通道時(shí)，大部分VOCs被吸附在轉(zhuǎn)輪表面，轉(zhuǎn)輪在驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的帶動(dòng)下始終處于緩慢旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，接近吸附飽和狀態(tài)的沸石轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)至脫附區(qū)。通過(guò)通入高溫再生空氣進(jìn)行脫附，使VOCs被脫附下來(lái)進(jìn)入到再生空氣中。沸石轉(zhuǎn)輪上富集的VOCs被脫附下來(lái)，轉(zhuǎn)輪得以再生后進(jìn)入冷卻區(qū)進(jìn)行降溫，冷卻后在馬達(dá)的帶動(dòng)下再次返回吸附區(qū)，完成一套完整的吸附－脫附－冷卻的循環(huán)過(guò)程[4]。

半導(dǎo)體行業(yè)廢氣產(chǎn)生種類較多，且涉及砷化氫、磷化氫等劇毒物質(zhì)，一旦泄露造成的危害極大，生產(chǎn)中應(yīng)嚴(yán)格把控，確保廢氣有害處置。

2.2 廢水環(huán)境污染及治理措施

廢水主要為含氨廢水、含氟廢水、酸堿廢水、含重金屬?gòu)U水等。

含氨廢水一般采用二級(jí)空氣吹脫+硫酸液吸收法處理，將廢水中的離子態(tài)氨通過(guò)調(diào)節(jié)pH值，轉(zhuǎn)化為分子態(tài)的氨，隨后被通入廢水中的熱空氣吹出吹，再通過(guò)噴淋塔吸附。含氟廢水一般采用氯化鈣混凝沉淀法處理，在廢水中投加氯化鈣后，形成氟化鈣沉淀。含重金屬?gòu)U水一般采用化學(xué)沉淀法，利用螯合結(jié)合的反應(yīng)原理，在短時(shí)間內(nèi)迅速生成不溶性、低含水量、容易過(guò)濾去除的絮狀沉淀，之后通過(guò)絮凝劑進(jìn)行去除。酸堿廢水一般采用化學(xué)中和法處理。

半導(dǎo)體行業(yè)廢氣種類多，采用合理的處理措施后方可排放，處理后的廢水污染因子濃度較低，但因其排放量巨大，還是會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生一定的影響，建議采用多種廢水循環(huán)措施來(lái)進(jìn)行重復(fù)利用減排。

2.3 固廢、噪聲環(huán)境污染及治理措施

固體廢物主要為一般固廢及危險(xiǎn)廢物委外處置即可，不過(guò)其固廢產(chǎn)生量較大，對(duì)城市危廢處置能力造成較大的負(fù)荷。半導(dǎo)體行業(yè)一般規(guī)模大，且建設(shè)在工業(yè)區(qū)，對(duì)居民噪聲影響較小。

3.半導(dǎo)體企業(yè)引入建議

目前，我國(guó)急需引入半導(dǎo)體企業(yè)來(lái)推進(jìn)技術(shù)行業(yè)的發(fā)展，但發(fā)展的同時(shí)也應(yīng)重視其環(huán)境污染問(wèn)題，對(duì)引入的半導(dǎo)體企業(yè)提出相應(yīng)的要求：（1）半導(dǎo)體行業(yè)應(yīng)設(shè)置在以其為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的工業(yè)區(qū)；（2）各項(xiàng)污染排放均應(yīng)采取合理的治理措施，涉及的廢氣排放因子應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)的要求，工藝及污染物處理效率滿足設(shè)計(jì)規(guī)范的要求；（3）對(duì)涉及劇毒氣體排放的半導(dǎo)體企業(yè)應(yīng)提出設(shè)置規(guī)范的防護(hù)應(yīng)急措施；（4）半導(dǎo)體行業(yè)污染物排放量巨大，尚納入總量控制要求的因子，園區(qū)應(yīng)限制其排放量；（5）半導(dǎo)體行業(yè)用水量及排放量巨大，建議采取中水回用措施。