成本和环保双赢的半导体厂商解决方案

娆娆 · 发表于 2010-12-29 15:05:31

作者：Michael B. Korzenski, ATMI Inc., Danbury, Conn. 　来源: 半导体国际

当今的经济环境下，半导体制造商比以往更加难以获得最大的效益和性价比。一方面制造厂的管理者们要努力达成这些目标，同时还要进行合理搭建，以减少厂房设备对环境的影响。而这两者通常认为是难以协调的。不过，最新的科技进展可使它们不再相互矛盾。事实上，新的工艺效率方案正在带来经济效益的同时，又可达成环境可持续性目标。以往的反对声音“为环保而耗资较高”是否走向堆肥堆？

对于所有为社会创造价值的半导体制造商来说，都必须将自己作为这一世界资源及能源密集化程度最大的行业的一份子。众多西方化国家一度认为水价廉物美，取之不尽。回想当时（以及之后水被认为是有限而昂贵的商品的一段时间里），芯片制造者是其巨大的水资源消费者。

一个制造厂每天可排放300万加仑（1136万升），1 足以满足缺水地区100万人的生活需求。加工一块300毫米的晶圆需要超过1750加仑（6600升）水。2

这样的水用量让常规制造厂的能源形象大打折扣。而制造这块300毫米晶圆还要消耗超过800度的电力——高于美国家庭月均用电量。与此同时还有近1100磅（500公斤）的温室气体CO2被排放到空气中。3 晶圆完工后，刻成微处理器，然后进行测试、封装并装入一台新的计算机里，这个制造过程又要消耗529磅（240公斤）化石燃料和48磅（22公斤）化学物质。4

考虑到全球半导体行业的规模和整个相关的能源消耗，就很容易理解对环境造成的压力。然后同等重要的是该行业当前的财政状况。芯片制造者们与日益减少的利润、紧缩的底线和研究成本永不停歇地抗争。

每个人都想环境美好，但是疲软的经济和愈发严格的开支控制成了天然的障碍。在这一严酷的经济现实里，制造厂只会乐于采纳带来重大经济利益的提议：节省资金、提高效率和减少水处理成本。否则，任何建议都没有实施操作的动机。幸运的是，新的途径可带来双赢解决方案：具备环境效益的同时带来经济利润。

可持续性化学

旨在减小环境影响的许多工艺改进如今被推到“可持续化学”概念的平台之上，这一概念是10多年前定义的。《绿色化学的12项原则》是一本具有开创性的书籍，作者是两位研究者Paul Anastas和John Warner。5 此书对减少甚至消除危险物质的化学产品和工艺的设计观点进行了汇编——一是制造所需终端产品和工艺，而是使用产品和工艺，或是这两者。

《绿色化学的12项原则》出版后，展示了如何将化学、毒理学、环境、健康和安全进行最佳结合，成为把这些不同科学应用到现实环境中的指路牌。其中一些规则（见《绿色化学的12项原则》，如下）以现在的标准来看是显而易见的——例如，“预防废弃物的产生要比处理和净化已生成的废弃物好得多。”这些规则逐渐被人们所接受，因为它们开创了新天地，在进行化学方法实施的过程中将能源和水的消耗降至最低，并减少了有毒副产物。

用于测试晶圆的清洗液即是借助此绿色化学概念设计的工艺效率改进方案。由于300毫米硅生产晶圆（成品质量）的成本高，制造厂使用测试晶圆进行替代用以优化和监控市场过程。使用廉价的测试晶圆而不是生产晶圆进行系统的调整。不过“廉价”是相对而言。一座大型制造厂每月在测试晶圆上的花费可能达到200万美元，因此工厂运营者非常希望尽可能频繁重复使用并延长使用寿命。

常规的回收测试晶圆方法有三步：用化学方法脱除表面上的残膜，机械抛光去除损坏和杂质，然后进行清洗以除去缺陷。平均每批25个测试晶圆需要72加仑化学剂和62加仑冲洗水。而且，一块晶圆不能无限次地进行脱除-抛光-清洗流程。每次机械抛光都会减小基片厚度，直至最终因太薄而不得不丢弃。

ATMI公司研发出一步法，延长了测试晶圆的使用寿命——使用化学清洗剂，显著减少了回收过程中的资源用量和能源消耗，降低了相关成本。此回收过程的消耗比传统的三步法低85%左右，碳排放量降低到大约1/28（表）。另外每批次的冲洗水消耗也减少了60%左右——相当于每座制造厂每天节省20吨水以上。

新工艺只消耗了传统方法十分之一的化学品用量。无需溶剂，依靠更安全的添加剂和反应条件，并在使用后降解。在达到确保测试晶圆更长寿命（4-10倍的使用周期）的功能目标的同时，亦成功地帮助减少工厂水用量和碳排放，并提高了成本效益。

离子注入机清理

在离子注入领域，另一个提议——使经济、环境成果和操作改良目标相辅相成是其重点。在正常使用中，副产物和杂质会在注入机内聚集，造成离子束不稳定和其它问题。形成的废物可能有毒或易燃，必须完全清理掉并妥善处理。执行此类工作的人员会有持续的安全风险。维护工作耗时而又必须进行，从而造成许多停机时间，降低了生产力。

替代方案是设计一种化学剂，将固体废物转化为气体，使去除工作安全而轻松。该化学剂以蒸汽形式直接喷入注入机，对注入机进行化学清洗，提高功效。与此同时还减少了手揉搓的频率甚至不用手揉搓，减少皮肤接触，而且，从注入机出来的有毒固体废物也大为减少（图），明显提高了设备的环境指数。

有毒废物形成的紫色、棕色和粉红色物质（左）聚集在离子注入机的离子源箱中。不平滑的污染表面（中）也是有毒物沉积的结果。传统上，制造厂工人必须定期清洁注入机，手动擦除这些沉积物。使用蒸汽喷射化学清洗剂定期处理注入机（右），沉积转化为气体，清理工作更加安全，显著减少了人员和有毒副产物的接触。

有些制造厂报告说，此工艺使注入机的预防性维护工作频率降低了50%。其他制造厂提到消除了非预期停机——这归功于数个原因，包括延长离子源寿命、减少种类设置时间、消除意外过失、减少有毒废物以及减少清洁时间等。因此，制造厂在离子源耗材成本方面可以获得实际的节省，并且在争取更大生产力的相关环节上得以节省。已有文献记录，每个注入机每年可节省多达5万美元，一个常规制造厂每年节省约100万美元。

如今，先进的半导体制造过程已经不用在可持续发展和经济或效益之间倍受煎熬了。日益增长的环境因素为实现工艺和成本的改进提供了机会，这种改进可以给制造厂的环境评分上带来可观而积极的作用。

参考文献

1. P. Singer, “The Greening of the Semiconductor Industry,” Semiconductor International, Vol. 30, No. 13, December 2007, p. 54.

2. International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) 2006 Update: Environment, Safety, and Health, http://www.itrs.net/links/2006Up ... 2_ESH2006Update.pdf

3. “Carbon Dioxide Emissions From the Generation of Electric Power in the United States,” U.S. Department of Energy and the Environmental Protection Agency, July 2000, http://www.eia.doe.gov/cneaf/ele ... eport/co2emiss.pdf.

4. J. Wolfe, Innovation, Vol. 5, No. 5, October-November 2007, p. 12.

5. Green Chemistry: Theory and Practice, P.T. Anastas and J.C. Warner, New York, N.Y.: Oxford University Press Inc., 1998.

作者信息

Michael B. Korzenski is director of sustainable technologies at ATMI, where he is responsible for the coordination of ATMI’s sustainability activities, including minimizing hazardous materials usage during new product development and developing external partnerships related to green initiatives to support corporate sustainability. He joined ATMI as director of R&D after leading the program at Advanced Technology Materials Inc. to develop supercritical carbon dioxide (SCCO2) technologies to be used as environmentally benign alternatives to traditional toxic solvent systems in the microelectronics industry. He has a Ph.D. in inorganic/materials chemistry from Clemson University.

娆娆 · 发表于 2010-12-29 15:05:59

《绿色化学的12项原则》

《绿色化学的12项原则》是在私营机构中编写而成的。但是其支持者越来越多，这至少在一部分上归功于美国环保署（EPA）为提升他们的评价而付出的努力。在这些活动中，环保署设立了绿色化学奖，对利用12原则的技术防治污染的创新发展授予荣誉：

1 预防。预防废弃物的产生要比处理和净化已生成的废弃物好得多。

2 讲原子经济。设计的合成程序应能最大限度地使反应过程中所用的物料进到终极产物中。应设计出综合的方案，最有效地把工艺中所有材料整合入最终产品。

3 减少有危害性的合成反应。无论如何要使用可行的方法使得设计合成程序只选用或产出对人体和环境毒性很小的或最好无毒的物质。

4 设计合成安全的化学产品。设计化学反应的生成物不仅具有所需的性能,还应具有最小的毒性。

5 使用安全的溶剂和辅料。尽量不用辅助剂(如溶剂分散剂等) ，当不得已使用时应尽可能选择无害的。

6 设计中能量的使用要讲效率。尽可能降低化学过程所需能量，还应考虑对环境的影响和经济效益。合成反应尽可能在大气环境的温度和压强下进行。

7 使用可再生的原料。只要技术上和经济上是可行的，原料应能回收再利用。

8 尽量减少派生物。应该尽可能避免或减少多余的衍生物，因为进行这些步骤需添加一些反应物的同时也会产生废弃物。

9 催化作用。催化剂（尽可能是具选择性的）比符合化学计量数的试剂更占优势。

10 要设计降解。按设计生产的生成物，当其有效作用完成后，可以分解为无害的降解产物，在环境中不继续存在。

11 防止污染进程能实时分析。需要不断发展分析方法，在实时分析、进程中监测，特别是对形成危害物质的控制上。

12 特别是从化学反应的安全防止事故发生。在化学过程中，反应物的选择应着眼于使包括释放、爆炸、着火等化学事故的可能性降至最低。

（来源：绿色化学华纳巴布科克研究所）

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