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标题: 用最小的成本和风险达成PFC减排目标 [打印本页]

作者: 娆娆 时间: 2010-12-29 15:02
标题: 用最小的成本和风险达成PFC减排目标
作者：Mike Czerniak and Steve Cottle, Edwards, Crawley, UK 　来源: 半导体国际

全氟化合物 (PFC) 排放物对红外射线具有极强的吸收能力，被认为具有非常高的全球变暖潜能（GWP）。这些气体广泛用于半导体制造，特别是300毫米的蚀刻工艺之中。世界半导体理事会（WSC）的成员包括半导体行业协会（SIA）、欧洲半导体行业协会（ESIA），日本半导体行业协会（JISA-JEITA），中国台湾半导体行业协会（TSIA）、韩国半导体协会（TSIA）和韩国半导体行业协会（KSIA），该理事会今年为其成员设立了目标——将这些气体的排放量降至1995年的90%以下。

尽管半导体行业在化学气相沉积（CVD）中使用的GWP气体减排（改用较低GWP的气体）方面前进了一大步，但这种方法不适用于蚀刻。结果此工艺为半导体行业带来了最大量的PFC，占半导体制造使用的PFC的50%左右。事实上，常规300毫米晶圆制造厂的蚀刻排放物已经是常规200毫米蚀刻排放物的两倍以上。因此，半导体制造商都在评估减排的最具成本效益的方法。本文将涉及到WSC的要求，讨论一些半导体加工中GWP气体排放增长的原因，并提出几条减排的最佳方案，以符合WSC PFC目标。

WSC 期限要求

WSC的目标是让半导体制造商将他们的GWP气体的排放降至1995年的90%以下，这要求大多数制造厂将当前的排放减少90%。因为该行业有了整体增长，再加上向300毫米工艺的转变使GWP排放量增加。尽管是否达到这一目的纯属自愿，但大多数富有责任感的半导体制造商都设定了自己的GWP减排目标，并在过去数年中对减排设备进行了必要投资。

WSC协议不涉及对未完成目标公司的任何评估。但是，在目前对全球变暖的关注下，大多数制造商不得不左右腾挪——给客户和资助方描绘值得信赖的“绿色”景象，同时又要规避法规制定的减排要求。

许多国家都在和他们的半导体制造商合作，达成自愿协议而不是通过法规制定来解决。例如，台湾政府2004年认识到该地区的面板行业是温室气体的重要来源，于是在自愿基础上与该行业成功地进行了合作，显著减少了GWP排放。韩国正在考虑类似的计划。大多数制造商认识到互相协作进行GWP减排是明智的商业举措，可以帮助在未来更加严格的法规减排环境下，规避潜在负面财务影响。

PFC与全球变暖的关系

大多数规划趋向于看某种气体在100年以上的时间段里的全球变暖潜能，而这种方法低估了PFC的整体GWP。这些气体非常稳定，对它们的GWP的准确评估应在气体的整个存在期中进行实际计算。尽管存在一些自然机制（光合成或降雨）可以轻易吸收其它温室气体，例如CO2，但PFC是高度稳定的化合物，氟和碳之间的化学键很强，在阳光作用下仅能进行缓慢分解。于是大量PFC可存在大气中5万年之久——基本上就是存在于人类历史之中——持续吸收地球反射的阳光并作为热量散发出来，显著加剧了温室效应。鉴于此，PFC具有非常高的GWP，或能达到CO2的数万倍。

300毫米制造工艺中PFC的使用

尽管300毫米半导体制造工艺中所用的PFC和200毫米工艺相比已得到整体下降，但设备功能改进形成了大量的金属化层，而这又导致大量的晶圆蚀刻步骤。尽管PFC气体在某些制造工艺中的用量下降，例如沉积，但是晶圆蚀刻步骤却造成PFC气体的用量增加。

蚀刻工艺中通常使用的PFC气体是四氟化碳（CF4）。CF4 暴露在等离子体中会分解。碳与氧化合形成CO2和碳氟根（CF2），CF2进攻蚀刻中的硅氧层，大量消耗该层中的硅。硅与氟化合形成四氟化硅。但问题在于该反应过程不是100%的转化，有不少的CF4 在蚀刻工艺中未消耗掉而从处理室排出，必须得减少这种气体的排放。

PFC 减排挑战

PFC气体减排主要有两个挑战。第一个，因其非常稳定，需要使用大量的化学能才能使其断键。第二，断键之后必须控制好副产物。

减排系统通常使用三种方案的一种：催化分解、燃料燃烧、等离子体燃烧。在催化分解中，气体在高温下通过化学催化剂，使其分解。此方法有两个主要缺陷。第一，需要产生大量热能，因此燃料和化石燃料用得太多本身就造成温室效应问题。第二，催化剂表面会受到固体污染，例如在工艺过程中形成的二氧化硅 (SiO2)，从而降低了工艺效率。

最常用的减排系统是燃料燃烧系统，可将PFC和NOx （与雾形成相关的氮氧化物的总称）的量降至最低。在这种系统中，燃料和空气混合物进入燃烧室并在柱状多孔陶瓷垫上燃烧。

图1. 在向内燃烧的燃烧室中，工艺气体通过燃烧室顶部入口单独进入室内。燃料提供所需热能，对工艺排出气体的高温氧化还原进行空间隔离，将碳氢燃料和氟之间的相互反应机会降至最低。

图1显示了向内燃烧室视图。工艺气体通过燃烧室顶部入口单独进入室内。在这种方法中，燃料提供所需热能，对工艺排出气体的高温氧化还原进行空间隔离，将碳氢燃料和氟之间的相互反应机会降至最低。在这种系统中，氟会周期性的接触燃烧反应产物—水和CO2。在减排系统的后续反应中，化学动态变化非常有利于氟化氢（HF）的形成而不是PFC，这是因为氟与水分子中的氢结合相比碳而言更加稳定，而碳现在则化合为CO2。

第三个可行方案是使用等离子体。等离子体减排系统的工作原理非常类似于分解GWP气体的电火焰。在这种系统中，其技巧在于要将待处理的工艺气体与水和等离子体进行有效混合。这需要可控地导入水蒸气，然后在反应区中，经过仔细的流动和电动机械设计，将高效微波耦合与工艺气体相结合。

在等离子体系统中，燃烧室的设计和等离子体控制是至关紧要的，既要避免室本身的损坏，又要避免生成固体副产物——会阻塞流入和流出燃烧室，造成系统故障。最后，非常重要的一点是确保高效操作，以将化石燃料用量降至最低，化石燃料可用于发电，而电力过去常常用于产生等离子体。

在这三种方案中，在燃料燃烧室中使用天然气是最高效的减排方法，燃烧室中的天然气在合适的反应温度下发生高温氧化。提高系统功效的方法：对燃烧室内的气体进行有效控制，以更高的流速通过更小的燃烧炉；有效俘获并分配热隔离区域的燃烧热量，以达到燃料消耗最小化。此外，通过燃烧垫向内的恒定的燃料/空气混合物将固体残余物降至最少，减少维护需求和相关停机时间，从而提高整体生产量。如果天然气在某些情况下难以获得而以其它方法发电，例如水力、风力或核能发电，则等离子系统是极好的方案。

图2. 通过在1500℃下操作减排系统，即使不能完全阻止在减排工艺中形成NOx，也能将其最少化，从而也使燃料用量降至最低，并保持合理的化学状态。

PFC 减排副产物通常包括CO2、HF，可能还有NOx。HF气体在湿法洗涤过程中溶于水后形成氢氟酸。氢氟酸可通过标准的水处理技术进行控制。

如果借助燃料燃烧室减少这些气体的产生，则有另一个危害是会形成不希望产生的气体，例如NOx。这些气体是形成地面臭氧的主要成分，可反应生成硝酸盐颗粒和酸性气溶胶，所有这些均可触发严重的呼吸问题。它们促使酸雨和雾的形成。通常可在汽车尾气中看到，大多数国家均对此做了规定。这些气体的形成温度在1100℃以上。如图2所示，通过在1500℃下操作减排系统，即使不能完全阻止在减排工艺中形成Nox，也能将其最少化，从而也使燃料用量降至最低，并保持合理的化学状态。

此外，有必要有效控制副产物，例如四氟化硅，它会在每次蚀刻工艺中产生大量的固体。根据丰富的实际减排设计经验，对气体流经进行适当设计即可解决这一问题。

下表对三种所讨论的减排方案进行了对比 — 催化剂分解、燃烧和等离子—对比项包括功效、资金成本、NOx 排放和维护要求。如表所示，三种方案的功效相当，但等离子体减排法的成本较高。在减排性能和操作成本上，燃烧技术很明显是优先考虑事项。催化分解的操作成本最高，但是和等离子体技术相比提供了更大的减排性能。另一方面，催化分解所产生的NOx最少，而等离子体产生的NOx 最多。从耐用程度和维护间隔来看，燃烧技术依然是优先考虑事项，这方面等离子体技术获得较大评分。

对比清晰地显示出，综合来看，燃烧减排是适于大多数环境的优选技术。燃烧法不需要外部燃料，不过，如果某地区的能量提供充足稳定，且驱动燃烧器的成本比化石燃料更低，则等离子体技术亦是可行方案。

结论

广泛应用于半导体制造行业的全氟化合物（PFC）被认为与全球变暖有关。半导体公司正在评估最具成本效益的方法，以达成世界半导体理事会2010年的目标——将该行业的PFC排放量降至1995年的90%以下。尽管向300毫米制造的转变使其和200毫米相比降低了PFC排放，但金属化层的增多导致蚀刻步骤的增加。鉴于PFC是此工艺中使用最广泛的物质，蚀刻现在已是该行业PFC排放的头号因素。

减排PFC气体的两大挑战分别是稳定性——使其难以分解，以及需要控制减排过程导致的副产物。常见副产物有NOx、HF和CO2。HF和CO2 通过现有技术可很容易地处理。而NOx则是很多地区常见的污染物。

半导体行业目前有三种减排技术：催化分解、燃烧和等离子体。如表1中所示，催化分解没有NOx 排放最低的优势，因此是最不实用的方案，操作成本最高。燃烧减排是实用性最强、性能最高、最具成本效益的PFC减排方案，并可轻松处理蚀刻工艺中产生的大量四氟化硅固体。尽管等离子体减排技术成本较高且减排性能低于燃烧器，但在能量提供更加充足、且驱动燃烧器的成本比化石燃料更低的场合下，等离子体技术亦是良好的减排方案。

Author Information

Mike Czerniak is a product marketing manager for exhaust gas management at Edwards. He received his Ph.D. at Manchester University and started his career as a scientist at Philips' UK laboratories. He then moved on to the Philips fab in Nijmegen, The Netherlands, where he worked on compound semiconductor applications. He has also served in marketing at Cambridge Instruments and VG Semicon.

Email: mike.czerniak@edwardsvacuum.com

Steve Cottle received his B.Sc. in chemistry at Bristol University and joined Edwards in 1992 as a chemist developing exhaust management solutions for the semiconductor industry. Followed by a period working in the Edwards sales force, Steve is currently the senior applications specialist responsible for marketing of exhaust management systems to Europe, the United States and the global OEMs.

Email: steve.cottle@edwardsvacuum.com

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