半导体制造工艺中各类废气是如何产生的

半导体行业在芯片制程工艺中，因其不间断使用有机溶剂和酸溶液直接产生了大量的有毒有害的废气，且需经过废气处理达标后才能高空排放。那么，半导体芯片制程工艺LocalScrubber酸性碱性砷排及有机废气处理技术系统有哪些？半导体制造工艺废气来源及排放特征

半导体行业芯片制造主要有5个阶段：（1）材料准备；（2）晶体生长和晶圆准备；（3）晶圆制造和探针测试（初测）；（4）封装；（5）终测。晶体生长和晶圆准备阶段是集成电路的制造过程，在半导体生产中产生废气大量源于集成电路的制造，其集成电路制造的工艺顺序包括：薄膜沉积工艺、光刻工艺、掺杂工艺、清洗工艺，详细分析每步工艺中废气的来源及特征。1、薄膜沉积工艺

薄膜淀积是芯片制备的重要过程，许多材料由沉积工艺形成，如：半导体薄膜（Si、GaAs）、介质薄膜（SiO2、Si3N4）、金属薄膜等。常用的是热氧化工艺、化学气相沉积工艺（CVD）、物理气相沉积工艺（PVD）。

（1）热氧化工艺热氧化的加工工艺是将成批的硅圆片加热到800~1200℃，通入氧化剂（O2、水蒸气、Cl2、HCl、C2H2Cl2等）在其表面生成SiO2薄膜层。生成的硅膜可起到器件保护和隔离、表面钝化、栅氧电介质、掺杂阻挡层等作用。此工艺产生的主要废气及来源：酸性废气主要来源未反应的含卤素氧化剂。

（2）CVD工艺CVD工艺是通过气态物质的化学反应在硅片表面生成一层固态薄膜材料的过程。此工艺可制备不同类型的材料层。其操作过程是将含具有构成薄膜元素的反应气体（SiH4、WF6、NH3、SiH2Cl2、TiCl4等）和一些携带气体（N2、H2、NH3、Ar等）通入反应室，依靠反应气体与晶片表面处的浓度差，在硅片上发生反应生成薄膜，随后反应气及生成的废气一起再排出。此工艺合成不同固态薄膜材料产生的废气种类是不同的，来源于未反应的原料气和生成酸性气体，常见废气有：SiH4、SiCl4、SiH2Cl2、PH3、HF、HCl、NH3等。

（3）PVD工艺PVD工艺用于金属薄膜的制备，如：Al、Ti、Cu、Au、Ni、Mn、Sb膜等。工艺过程是通过惰性气体在低真空下放电获得正离子，淀积在阳极的硅片上，形成金属薄膜。此工艺以采用惰性气体，生成的污染物以固废为主。2、光刻工艺

光刻工艺是这一阶段的关键技术，它是将所需图形复制于硅片上。整个过程由前端工艺（涂胶、软烘焙、曝光、显影、硬烘焙）和后端工艺（刻蚀、剥离去胶，及化学机械抛光）组成。

（1）前端工艺前端工艺是在掩膜版上形成对应（或相反）的图形，工艺过程如图所示：

光刻胶主要由树脂，感光剂，有机溶剂和添加剂四部分组成，其中有机溶剂占主要成分的65%~85%。常用的显影液有四甲基氢氧化铵、KOH溶液、酮类或乙酸酯类物质等。此工艺中有机废气来源于光刻胶在软烘焙和硬烘焙过程，及光刻胶和显影液在使用中少量挥发的。NH3源于显影液中四甲基氢氧化铵的挥发。（2）刻蚀工艺刻蚀工艺是将光刻后暴露出的薄膜去除，实现图形从光刻胶层到晶圆层的转移。工艺分为：

1）湿法刻蚀；湿法刻蚀。刻蚀不同材料所用刻蚀液不同：刻蚀硅的刻蚀液：HNO3、HF、醋酸的混合液；刻蚀二氧化硅的刻蚀液：NH3、异丙醇溶液、HF、NH4F、表面活性剂的混合液；刻蚀氮化硅的刻蚀液：热磷酸溶液。此工艺产生的主要废气及来源：酸、碱、有机废气，还包括一些气态副产物（如H2、NO、NH3等），来源于刻蚀液的挥发。

2）干法刻蚀。湿法刻蚀是通过特定的刻蚀液腐蚀溶解，而干法刻蚀是以气体为主要媒体的技术。干法刻蚀。干法刻蚀是以气体为介质，利用等离子体、反应离子、高能离子束等技术轰击刻蚀。常用的刻蚀气体大部分为含卤素气体，如CF4、Cl2、BCl3、HBr等，还含有H2、O2、CO、N2、Ar、He等。此工艺产生的主要废气及来源：PFC（CF4、SF6、CHF6等）、Cl2、HF、HBr、HCl等酸性气体。3）剥离去胶剥离去胶工艺在刻蚀后将作为保护层的光刻胶从硅晶圆片表面除去，也分湿法和干法两种。其区别湿法通过液体浸泡去除光刻胶，干法是利用等离子体技术分解。

①湿法去胶。将刻蚀好的硅片浸泡在溶剂中，通过光刻胶溶胀或发生反应将其去除。去胶液分可用有机溶剂和酸溶液。酸性试剂常用：H2SO4、HNO3、H2O2；有机溶剂：丙酮、乙氧基丙酸乙酯等。此工艺产生的主要废气及来源：来自去胶剂挥发出的酸性废气和有机废气。

②干法去胶。主要是通过等离子体将光刻胶剥除，将残留的有机光刻胶分解生成气态的CO、CO2和H2O。此工艺产生的主要废气及来源：光刻胶未完全分解生成的有机废气和CO、CO2一般废气。

4）平坦化工艺平坦化工艺是去除多余的薄膜，保持晶片表面平整平坦。化学机械研磨（CMP）是提供全局平坦化的技术，其过程是在硅片上加层抛光液，利用抛光液与硅片反生化学反应，使凸出部分磨平，CMP后的清洗是重要环节。此工艺产生的主要废气及来源：后续清洗过程中挥发出的酸、碱、有机废气。3、掺杂工艺

掺杂工艺是将特定量的杂质源（磷、硼、砷等）通过薄膜开口掺入到硅晶体表层，以改变其电学特性。热扩散和离子注入是掺杂主要工艺。热扩散工艺是在高温下（800~1100℃），将掺杂源（磷烷、砷烷、三氯化硼等）与硅表面反应释放出杂质原子，并由表面的高浓度区向内部的低浓度区扩散，Z终分布趋于均匀，属于化学反应过程。而离子注入工艺是在室温条件下运行，掺杂源被离子化后，聚集成束，在电场中加速穿过硅晶圆片表面或其他薄膜中，是物理反应过程。

掺杂工艺产生的主要废气及来源：含磷烷、砷烷的酸性废气。4、清洗工艺

清洗工艺几乎每一道工艺进行前后都必须要对硅片清洗，清洗后通过氮气吹干，送入下道工序。所用的清洗液（酸、碱、有机溶剂）根据去除对象不尽相同，如表1所示。半导体废气处理技术及系统

半导体行业芯片主要工艺制程中使用和产生废气的来源和处理工艺，如下表所示：半导体行业产生的废气通过分类密闭收集处理，有酸性废气、碱性废气、有机废气、一般尾气等。处理系统有机台端的POU本地处理和厂务端（Fab）中央处理系统；如热氧化、CVD、干法刻蚀、离子注入等工艺制程中会产生特性气体（硅烷、砷烷、磷烷、全氟烃、含卤素气体等有毒和高沸点废气），先经本地LocalScrubber预处理，后经入厂务端的中央处理系统集中处理。

中央处理系统集中处理有酸性废气处理系统（SEX）、碱性废气处理系统（AEX）、有机废气处理系统（VEX）、砷排处理系统（ASX）、一般排气系统（GEX）等，其中一般排气系统所排废气无污染，起排风散热作用。1、LocalScrubber本地处理

LocalScrubber预处理可避免从排气过程中引发风管堵塞、管路腐蚀、局部聚积或气体相互反应，导致气体泄漏、火灾爆炸等事故。LocalScrubber的处理方法有燃烧水洗、高温水洗、等离子水洗、干法吸附等。经LocalScrubber处理后的废气主要为氟化物、氯化氢、氯气等，进入厂务端酸性废气系统集中处理。2、酸性废气处理系统

酸性废气来源于清洗、溅射、湿法刻蚀、湿法去胶和经LocalScrubber处理后的工艺废气，其主要组成为HF、HCl、Cl2、H2SO4、SO2等。酸性废气利用酸碱中和反应，采用喷淋洗涤工艺。常用的吸收液为>25%NaOH或NaClO溶液。该系统主要由碱液洗涤塔、通风机、排气管和加药系统等组成。系统采用pH值、液位值和电导值控制水箱中碱液的加入和补/排水的循环，通过测量液位控制补水，电导率控制排水；pH值控制碱液的加入。整个过程实现全自动化控制，免除人工加药及检测过程，操作方便，易于检修。

3、碱性废气处理系统

碱性废气主要来源于清洗、湿法刻蚀、光刻显影、去胶、CMP等工艺，污染物为NH3、NaOH等。碱性废气处理工艺也采用喷淋洗涤处理，常用吸收液为H2SO4溶液。酸碱洗涤塔有卧室和立式两种结构，卧式洗涤塔一般适用对高度有限制的场地，而立式洗涤塔用于厂地面积有限但高度无限的项目上，其处理效率不受影响都可达98%。洗涤净化措施是控制气态污染物的重要治理技术之一，尤其在芯片生产中应用相当普遍，具有运行稳定，投资少、运行费低等优点，缺点是会产生污水带来二次污染。

4、有机废气处理系统

有机废气主要来源于清洗、CVD、光刻、湿法刻蚀、去胶及扩散等工艺。有机废气种类主要包括异丙醇、丙酮、丙二醇单甲醚乙酸酯、乳酸乙酯、乙酸丁酯、重芳烃等。半导体行业排放的VOCs废气具有风量大，浓度低的特点，其风量通常大于11000m3/h，浓度大约在50~1000mg/m3之间（以非甲烷总烃计）。常用的处理技术为活性炭吸附和沸石浓缩转轮+焚烧，经调研分析现有企业以沸石浓缩转轮+焚烧技术处理为主。焚烧技术有蓄热式燃烧（RTO）和直接燃烧（TO），效率都可达≥95%，但