半导体行业的工艺及其带来的环境问题

刘雪

（上海市节能减排中心有限公司，上海 200003）

0.引言

半导体行业是各种产品和服务的基础，在新兴技术（例如高性能计算、5G、物联网等）中发挥关键的促成作用。半导体产业的全球领导者主要分布在欧洲、日本、韩国、中国台湾和美国。中国作为世界半导体第一大消费市场，芯片国产化进程刻不容缓。近年来，国家加大了对半导体行业的投入，引进了一大批晶圆厂在国内陆续投产，其中2017—2020年就有26座新晶圆厂投产[1]。2020年，受到疫情的影响，半导体行业引进建厂工作短暂停滞，现今已全面恢复，而且近年来国家对半导体行业予以了大力支持，进行了政策和资金上的扶持，为国内半导体的发展开启了黄金时代。在国内半导体行业蓬勃发展的同时，将会诞生一大批半导体材料公司[2]，为我国的发展做贡献。

半导体行业生产制造的过程涉及多种原材料，部分原材料毒性较大、使用量大，且生产过程也会产生有毒性的伴生物质，若毒性物质泄露，将对我国环境造成极大的影响，造成不可逆转的生态破坏[3]。本文在分析半导体行业生产工艺的基础上，探讨其所带来的环境问题及治理措施，最后提出建议。

1.半导体生产工艺

半导体生产制造过程可以分为3个阶段：晶体材料生产阶段、各种型号晶片制造阶段和组装阶段，其中污染最轻的组装阶段仅涉及组装工艺，污染较为严重的是晶片制造阶段。其主要工艺步骤为：清洗、键合、氧化、掺杂、光刻、刻蚀等阶段。

清洗工艺为保留芯片表面特性，采用化学溶液有效的清除半导体硅片表面的灰尘、残留有机物和吸附在表面的各种离子，主要产生各类废气及废液。

晶圆键合以有无中间过渡层可分为直接键合和中间层键合，而直接键合方式具有键合强度高的优势，是目前应用的主流，键合工序污染较小仅产生废水。

氧化是在高温惰性环境下，通入氧气或含氧水汽，将硅片表面的硅氧化生长氧化层，过程一般是将作为原料的硅晶圆片放入洁净的石英炉管中，主要产生工艺废气。

掺杂的过程主要采用离子注入技术进行掺杂，以改变所使用的材料的电学性质，基本原理是：将所掺杂的物质离子化之后，在几千至数百万伏特电压的电场下加速，产生较高的能量，注入至薄膜或者硅片的表面。因离子注入会造成底部晶圆片晶格的损伤，需经过高温退火进行消除；同时将会活化注入其中的杂质离子，恢复晶圆片中少数载流子寿命和载流子迁移率。此外，离子注入的同时，在电子喷淋装置中，用氙气产生的等离子体中和硅片表面的正电荷，主要产生工艺废气。

光刻是芯片制造的核心工艺，包括涂胶、曝光、显影3个步骤。涂胶工艺是在硅片的表面通过硅片高速旋转从而使其表面均匀地涂上光刻胶；曝光工艺为使用光刻机，并使用光掩膜版对已涂胶的硅片进行光照，使光照到部分光刻胶，其他部分光刻胶不会受到光照，从而使光刻胶性质改变；显影工艺为去除曝光后硅片上的光刻胶，将光照后的光刻胶和未被光照的光刻胶均置于显影液中，这样就使其溶解性光刻胶上形成了沟槽，此过程产生污染较大，产生废气、废水、固体废物。

刻蚀技术主要分为两大类：液态的湿法刻蚀和气态的干法刻蚀。湿法刻蚀为将需要刻蚀的薄膜材料与准备好的特定的化学品发生反应，去除光刻胶未覆盖区域的薄膜的过程。干法刻蚀：干法刻蚀也是一种去除光刻胶未覆盖区域的薄膜的方法，主要是利用能离子束轰击或者利用等离子体激活的化学反应进行去除，主要产生工艺废气。

2.半导体行业环境污染及治理措施

半导体行业的生产过程中会产生大量的废气、废水、固废，甚至涉及一类污染物，也会有一定的噪声影响。

2.1 废气环境污染及治理措施

废气主要为酸性气体（如氯化氢、氟化氢、硫酸雾、氯气）、碱性气体（如：氨）、有机废气等。半导体行业其排放标准对企业的要求为废气全部收集，其设计规范要求有备用处理措施，且有处理效率的要求，因此处理措施要求较高。

半导体生产机台一般设有附属的废气处理装置，即本地废气处理系统，主要分为电加热水洗式、燃烧水洗式、干式吸附式，根据废气成分不同，废气处理措施也不同。电加热水洗式为通过电加热使废气氧化产生固体废物和可溶于水的气体；燃烧水洗式为通入天然气高温燃烧处理废气，产生固体废物和可溶于水的气体；干式吸附主要为干式吸附设备配备表面附着金属氧化物的活性炭吸附筒，含砷废气进入干式吸附处理设备后，与吸附筒中活性炭表面附着的金属氧化物和钙盐发生化学反应，并与活性炭发生物理吸附而去除。

此外半导体行业一般设有中央废气处理系统，根据其污染特性主要包括：酸性废气处理系统、碱性废气处理系统、有机废气处理系统等。酸性废气处理系统原理是基于酸碱中和反应，碱液经回圈喷洒而下，利用碱液作吸收液净化酸雾废气。碱性废气处理系统废气先由管道输送到废气洗涤塔，酸液经填料圈喷洒而下，形成雾状，含碱废气经废气洗涤塔处理，利用酸液作中和吸收液净化含碱废气，碱性废气经洗涤塔处理达标后排入大气。有机废气处理系统主要采用一个预处理系统、一台沸石转轮浓缩和一台燃烧炉。其工作原理是：有机废气经前置过滤器预处理废气中的颗粒物及粘性物质后，由风机送至沸石转轮的吸附区，转轮旋转，有机废气在通过转轮蜂窝状通道时，大部分VOCs被吸附在转轮表面，转轮在驱动马达的带动下始终处于缓慢旋转的状态，接近吸附饱和状态的沸石转轮旋转至脱附区。通过通入高温再生空气进行脱附，使VOCs被脱附下来进入到再生空气中。沸石转轮上富集的VOCs被脱附下来，转轮得以再生后进入冷却区进行降温，冷却后在马达的带动下再次返回吸附区，完成一套完整的吸附－脱附－冷却的循环过程[4]。

半导体行业废气产生种类较多，且涉及砷化氢、磷化氢等剧毒物质，一旦泄露造成的危害极大，生产中应严格把控，确保废气有害处置。

2.2 废水环境污染及治理措施

废水主要为含氨废水、含氟废水、酸碱废水、含重金属废水等。

含氨废水一般采用二级空气吹脱+硫酸液吸收法处理，将废水中的离子态氨通过调节pH值，转化为分子态的氨，随后被通入废水中的热空气吹出吹，再通过喷淋塔吸附。含氟废水一般采用氯化钙混凝沉淀法处理，在废水中投加氯化钙后，形成氟化钙沉淀。含重金属废水一般采用化学沉淀法，利用螯合结合的反应原理，在短时间内迅速生成不溶性、低含水量、容易过滤去除的絮状沉淀，之后通过絮凝剂进行去除。酸碱废水一般采用化学中和法处理。

半导体行业废气种类多，采用合理的处理措施后方可排放，处理后的废水污染因子浓度较低，但因其排放量巨大，还是会对环境产生一定的影响，建议采用多种废水循环措施来进行重复利用减排。

2.3 固废、噪声环境污染及治理措施

固体废物主要为一般固废及危险废物委外处置即可，不过其固废产生量较大，对城市危废处置能力造成较大的负荷。半导体行业一般规模大，且建设在工业区，对居民噪声影响较小。

3.半导体企业引入建议

目前，我国急需引入半导体企业来推进技术行业的发展，但发展的同时也应重视其环境污染问题，对引入的半导体企业提出相应的要求：（1）半导体行业应设置在以其为主导产业的工业区；（2）各项污染排放均应采取合理的治理措施，涉及的废气排放因子应符合标准的要求，工艺及污染物处理效率满足设计规范的要求；（3）对涉及剧毒气体排放的半导体企业应提出设置规范的防护应急措施；（4）半导体行业污染物排放量巨大，尚纳入总量控制要求的因子，园区应限制其排放量；（5）半导体行业用水量及排放量巨大，建议采取中水回用措施。