Acabado de metal

El tratamiento superficial de los metales aumenta su durabilidad y mejora su apariencia. Un solo producto puede someterse a más de un tratamiento de superficie; por ejemplo, un panel de carrocería de automóvil puede fosfatarse, imprimarse y pintarse. Este artículo trata sobre los procesos utilizados para el tratamiento de superficies de metales y los métodos utilizados para reducir su impacto ambiental.

Operar un negocio de acabado de metales requiere la cooperación entre la gerencia de la empresa, los empleados, el gobierno y la comunidad para minimizar de manera efectiva el efecto ambiental de las operaciones. La sociedad está preocupada por la cantidad y los efectos a largo plazo de la contaminación que entra en el aire, el agua y el medio ambiente terrestre. Gestión ambiental eficaz se establece a través del conocimiento detallado de todos los elementos, productos químicos, metales, procesos y productos.

Planificación de la prevención de la contaminación cambia la filosofía de gestión ambiental de reaccionar a los problemas a anticipar soluciones centrándose en la sustitución química, el cambio de proceso y el reciclaje interno, utilizando la siguiente secuencia de planificación:

1. Iniciar la prevención de la contaminación en todos los aspectos del negocio.
2. Identificar flujos de residuos.
3. Establecer prioridades para la acción.
4. Establecer la causa raíz del desperdicio.
5. Identificar e implementar cambios que reduzcan o eliminen el desperdicio.
6. Mide los resultados.

La mejora continua se logra estableciendo nuevas prioridades de acción y repitiendo la secuencia de acciones.

La documentación detallada del proceso identificará los flujos de residuos y permitirá establecer prioridades para las oportunidades de reducción de residuos. Las decisiones informadas sobre cambios potenciales fomentarán:

• mejoras operativas fáciles y prácticas
• Cambios en los procesos que involucran a clientes y proveedores.
• cambios a actividades menos dañinas cuando sea posible
• reutilizar y reciclar donde el cambio no es práctico
• utilizar los vertederos de residuos peligrosos sólo como último recurso.

Procesos principales y procesos operativos estándar

Limpieza se requiere porque todos los procesos de acabado de metales requieren que las piezas a terminar estén libres de suciedad orgánica e inorgánica, incluidos aceites, incrustaciones, pulido y compuestos para pulir. Los tres tipos básicos de limpiadores en uso son solventes, desengrasantes de vapor y detergentes alcalinos.

Los métodos de limpieza con disolventes y desengrasantes con vapor han sido sustituidos casi en su totalidad por materiales alcalinos donde los procesos posteriores son húmedos. Los solventes y los desengrasantes de vapor todavía se usan cuando las piezas deben estar limpias y secas sin más procesamiento húmedo. En algunos casos, los disolventes como los terpenos reemplazan a los disolventes volátiles. Los materiales menos tóxicos, como el 1,1,1-tricloroetano, se han sustituido por materiales más peligrosos en el desengrasado con vapor (aunque este solvente se está eliminando gradualmente como un agotador de la capa de ozono).

Los ciclos de limpieza alcalina generalmente incluyen una inmersión en remojo seguida de una electrolimpieza anódica, seguida de una inmersión en ácido débil. Los limpiadores que no decapan y no silicatan se utilizan normalmente para limpiar el aluminio. Los ácidos son típicamente sulfúrico, clorhídrico y nítrico.

Anodizado, un proceso electroquímico para espesar la película de óxido sobre la superficie del metal (frecuentemente aplicado al aluminio), trata las piezas con soluciones diluidas de ácido crómico o sulfúrico.

Revestimiento de conversión se utiliza como base para la pintura posterior o como pasivante para la protección contra la oxidación. Con el cromado, las piezas se sumergen en una solución de cromo hexavalente con agentes orgánicos e inorgánicos activos. Para el fosfatado, las piezas se sumergen en ácido fosfórico diluido con otros agentes. La pasivación se logra mediante inmersión en ácido nítrico o ácido nítrico con dicromato de sodio.

Galjanoplastia electrolítica implica una deposición de metal sin electricidad. La deposición sin electricidad de cobre o níquel se utiliza en la fabricación de placas de circuito impreso.

galvanoplastia consiste en la deposición de una fina capa de metal (zinc, níquel, cobre, cromo, cadmio, estaño, latón, bronce, plomo, estaño-plomo, oro, plata y otros metales como el platino) sobre un sustrato (ferroso o no ferroso). Los baños de proceso incluyen metales en solución en formulaciones ácidas, alcalinas neutras y alcalinas de cianuro (ver figura 1).

Figura 1. Entradas y salidas para una línea típica de galvanoplastia

Molienda y grabado químico son procesos de inmersión de disolución controlada que utilizan reactivos químicos y grabadores. El aluminio normalmente se graba con sosa cáustica antes del anodizado o se abrillanta químicamente en una solución que puede contener ácidos nítrico, fosfórico y sulfúrico.

Recubrimientos por inmersión en caliente Implican la aplicación de metal a una pieza de trabajo por inmersión en metal fundido (galvanización de acero con zinc o estaño).

Buenas practicas de gestion

Se pueden lograr mejoras importantes en seguridad, salud y medio ambiente a través de mejoras en los procesos, tales como:

• utilizando controles de conductividad y enjuague a contracorriente
• aumentar el tiempo de drenaje
• usando más o mejores agentes humectantes
• mantener las temperaturas del proceso lo más altas posible para reducir la viscosidad, aumentando así la recuperación por arrastre (es decir, la recuperación de la solución que queda en el metal)
• uso de agitación de aire en el enjuague para aumentar la eficiencia del enjuague
• uso de bolas de plástico en tanques de recubrimiento para reducir el empañamiento
• uso de filtración mejorada en tanques de placas para reducir la frecuencia del tratamiento de purificación
• colocar un bordillo alrededor de todas las áreas de proceso para contener los derrames
• usar tratamientos separados para metales recuperables como el níquel
• instalación de sistemas de recuperación como intercambio iónico, evaporación atmosférica, evaporación al vacío, recuperación electrolítica, ósmosis inversa y electrodiálisis
• complementar los sistemas de recuperación de arrastre con reducciones en el arrastre de contaminantes y sistemas de limpieza mejorados
• usar controles de inventario modernos para reducir los desechos y los riesgos en el lugar de trabajo
• aplicar procedimientos estándar (es decir, procedimientos escritos, revisiones operativas periódicas y registros operativos sólidos) para proporcionar la base para una estructura de gestión ambiental sólida.

Planificación ambiental para residuos específicos

Los flujos de desechos específicos, generalmente soluciones de revestimiento usadas, se pueden reducir mediante:

• Filtración. Se pueden utilizar filtros de cartucho o de tierra de diatomeas para eliminar la acumulación de sólidos, que reducen la eficiencia del proceso.
• tratamiento de carbono se puede utilizar para eliminar contaminantes orgánicos (más comúnmente aplicado en niquelado, electrochapado en cobre y enchapado en zinc y cadmio).
• Agua purificada. Los contaminantes naturales del agua de reposición y enjuague (p. ej., calcio, hierro, magnesio, manganeso, cloro y carbonatos) se pueden eliminar mediante desionización, destilación u ósmosis inversa. Mejorar la eficiencia del agua de enjuague reduce el volumen de lodos de baño que requieren tratamiento.
• Congelación de carbonato en baño de cianuro. Bajar la temperatura del baño a –3 °C cristaliza los carbonatos formados en el baño de cianuro por la descomposición del cianuro, las densidades de corriente anódica excesivas y la adsorción de dióxido de carbono del aire y facilita su eliminación.
• Precipitación. La eliminación de los contaminantes metálicos que ingresan al baño como impurezas en los ánodos se puede lograr mediante la precipitación con cianuro de bario, hidróxido de bario, hidróxido de calcio, sulfato de calcio o cianuro de calcio.
• Alternativas al cromo hexavalente. El cromo hexavalente se puede reemplazar con soluciones de cromado trivalente para revestimientos decorativos. Los recubrimientos de conversión de cromo para pretratamientos de pintura a veces se pueden reemplazar por recubrimientos de conversión sin cromo o productos químicos de cromo sin enjuague.
• Procesos químicos no quelados. En lugar de agregar quelantes a los baños de proceso para controlar la concentración de iones libres en la solución, se pueden usar procesos químicos no quelados para que no sea necesario mantener los metales en solución. Se puede permitir que estos metales precipiten y se pueden eliminar mediante filtración continua.
• Productos químicos de proceso sin cianuro. Los flujos de desechos que contienen cianuro libre generalmente se tratan con hipoclorito o cloro para lograr la oxidación, y los cianuros complejos comúnmente se precipitan con sulfato ferroso. El uso de procesos químicos sin cianuro elimina un paso de tratamiento y reduce el volumen de lodos.
• Desengrase con disolvente. Se pueden usar baños de limpieza alcalinos calientes en lugar del desengrasado con solvente de las piezas de trabajo antes del procesamiento. La eficacia de los limpiadores alcalinos se puede mejorar mediante la aplicación de corriente eléctrica o ultrasonidos. Los beneficios de evitar los vapores y lodos de solventes a menudo superan cualquier costo operativo adicional.
• Limpiadores alcalinos. Tener que desechar los limpiadores alcalinos cuando la acumulación de aceite, grasa y suciedad por el uso alcanza un nivel que perjudica la eficiencia de limpieza del baño se puede evitar usando dispositivos desnatadores para eliminar los aceites que flotan libremente, dispositivos de sedimentación o filtros de cartucho para eliminar partículas y coalescedores de aceite y agua y mediante el uso de microfiltración o ultrafiltración para eliminar los aceites emulsionados.
• Reducción de arrastre. Reducir el volumen de arrastre de los baños del proceso sirve para reducir la cantidad de productos químicos de proceso valiosos que contaminan el agua de enjuague, lo que a su vez reduce la cantidad de lodo generado por un proceso de tratamiento de precipitación de metales convencional.

Varios métodos para reducir el arrastre incluyen:

• Concentración operativa del baño de proceso. La concentración de productos químicos debe mantenerse lo más baja posible para minimizar la viscosidad (para un drenaje más rápido) y la cantidad de productos químicos (en la película).
• Temperatura de funcionamiento del baño de proceso. La viscosidad de la solución del proceso se puede reducir aumentando la temperatura del baño.
• Agentes humectantes. La tensión superficial de la solución se puede reducir agregando agentes humectantes al baño de proceso.
• Posicionamiento de la pieza de trabajo. La pieza de trabajo debe colocarse en la rejilla de modo que la película adherida se escurra libremente y no quede atrapada en ranuras o cavidades.
• Tiempo de retiro o drenaje. Cuanto más rápido se retira una pieza de trabajo del baño de proceso, más gruesa es la película sobre la superficie de la pieza de trabajo.
• Cuchillas de aire. Soplar aire en la pieza de trabajo a medida que el estante de la pieza de trabajo se eleva por encima del tanque de proceso puede mejorar el drenaje y el secado.
• Enjuagues por pulverización. Estos se pueden usar encima de los baños calentados para que la tasa de flujo de enjuague sea igual a la tasa de evaporación del tanque.
• Baños de emplatado. Los carbonatos y los contaminantes orgánicos deben eliminarse para evitar la acumulación de contaminación que aumente la viscosidad del baño de galvanoplastia.
• Tableros de drenaje. Los espacios entre los tanques de proceso deben cubrirse con tablas de drenaje para capturar las soluciones de proceso y devolverlas al baño de proceso.
• Tanques de arrastre. Las piezas de trabajo deben colocarse en tanques de arrastre (tanques de "enjuague estático") antes de la operación de enjuague estándar.

La recuperación por arrastre de sustancias químicas utiliza una variedad de tecnologías. Éstas incluyen:

• Evaporación. Los evaporadores atmosféricos son los más comunes y los evaporadores de vacío ofrecen ahorros de energía.
• Intercambio iónico se utiliza para la recuperación química del agua de enjuague.
• Electroobtención. Este es un proceso electrolítico mediante el cual los metales disueltos en la solución se reducen y depositan en el cátodo. Luego se recupera el metal depositado.
• Electrodiálisis. Esto utiliza membranas permeables a los iones y corriente aplicada para separar las especies iónicas de la solución.
• Osmosis inversa. Este utiliza una membrana semipermeable para producir agua purificada y una solución iónica concentrada. Se usa alta presión para forzar el agua a través de la membrana, mientras que la membrana retiene la mayoría de las sales disueltas.

Agua de enjuague

La mayor parte de los desechos peligrosos producidos en una instalación de acabado de metales proviene de las aguas residuales generadas por las operaciones de enjuague que siguen a la limpieza y el enchapado. Al aumentar la eficiencia del enjuague, una instalación puede reducir significativamente el flujo de aguas residuales.

Dos estrategias básicas mejoran la eficiencia del enjuague. En primer lugar, se pueden generar turbulencias entre la pieza de trabajo y el agua de enjuague mediante enjuagues por aspersión y agitación del agua de enjuague. Se utiliza movimiento de la rejilla o agua o aire forzado. En segundo lugar, se puede aumentar el tiempo de contacto entre la pieza de trabajo y el agua de enjuague. Múltiples tanques de enjuague configurados en contracorriente en serie reducirán la cantidad de agua de enjuague utilizada.

Recubrimientos Industriales

El término revestimientos incluye pinturas, barnices, lacas, esmaltes y gomas lacas, masillas, masillas y selladores para madera, quitapinturas y barnices, limpiadores de pinceles y productos de pintura afines. Los recubrimientos líquidos contienen pigmentos y aditivos dispersos en una mezcla líquida de aglutinante y solvente. Los pigmentos son compuestos inorgánicos u orgánicos que brindan color y opacidad al recubrimiento e influyen en el flujo y la durabilidad del recubrimiento. Los pigmentos suelen contener metales pesados ​​como cadmio, plomo, zinc, cromo y cobalto. El aglutinante aumenta la adhesividad, la cohesión y la consistencia del recubrimiento y es el componente principal que permanece en la superficie cuando se completa el recubrimiento. Los aglutinantes incluyen una variedad de aceites, resinas, cauchos y polímeros. Se pueden agregar aditivos como rellenos y extensores a los recubrimientos para reducir los costos de fabricación y aumentar la durabilidad del recubrimiento.

Los tipos de disolventes orgánicos utilizados en los revestimientos incluyen hidrocarburos alifáticos, hidrocarburos aromáticos, ésteres, cetonas, éteres de glicol y alcoholes. Los solventes dispersan o disuelven los aglutinantes y disminuyen la viscosidad y el espesor del recubrimiento. Los solventes utilizados en las formulaciones de recubrimientos son peligrosos porque muchos son carcinógenos humanos y son inflamables o explosivos. La mayoría de los solventes contenidos en un recubrimiento se evaporan cuando el recubrimiento se cura, lo que genera emisiones de compuestos orgánicos volátiles (COV). Las emisiones de COV se están regulando cada vez más debido a los efectos negativos sobre la salud humana y el medio ambiente. Las preocupaciones ambientales asociadas con los ingredientes convencionales, las tecnologías de aplicación de recubrimientos y los desechos de recubrimientos son una fuerza impulsora para desarrollar alternativas de prevención de la contaminación.

La mayoría de los revestimientos se utilizan en productos arquitectónicos, industriales o especiales. Los revestimientos arquitectónicos se utilizan en edificios y productos de construcción y para servicios decorativos y de protección, como barnices para proteger la madera. Las instalaciones industriales incorporan operaciones de recubrimiento en varios procesos de producción. Las industrias automotriz, de latas de metal, maquinaria agrícola, revestimiento de bobinas, muebles y accesorios de madera y metal y electrodomésticos son los principales consumidores de revestimientos industriales.

El diseño de una formulación de recubrimiento depende del propósito de la aplicación del recubrimiento. Los revestimientos proporcionan estética y protección contra la corrosión y la superficie. El costo, la función, la seguridad del producto, la seguridad ambiental, la eficiencia de transferencia y la velocidad de secado y curado determinan las formulaciones.

Procesos de recubrimiento

Hay cinco operaciones que comprenden la mayoría de los procesos de recubrimiento: manipulación y preparación de materias primas, preparación de superficies, recubrimiento, limpieza de equipos y gestión de residuos.

Manipulación y preparación de materias primas.

El manejo y la preparación de la materia prima implica el almacenamiento de inventario, las operaciones de mezcla, la dilución y el ajuste de los recubrimientos y la transferencia de la materia prima a través de la instalación. Se necesitan procedimientos y prácticas de monitoreo y manejo para minimizar la generación de desechos por deterioro, fuera de las especificaciones y preparación inadecuada que puede resultar del aclareo excesivo y el consiguiente desperdicio. La transferencia, ya sea manual o mediante un sistema de tuberías, debe programarse para evitar el deterioro.

Preparación de la superficie

El tipo de técnica de preparación de la superficie utilizada depende de la superficie que se va a recubrir: preparación previa, cantidad de suciedad, grasa, el recubrimiento que se aplicará y el acabado superficial requerido. Las operaciones de preparación comunes incluyen el desengrasado, el recubrimiento previo o el fosfatado y la eliminación del recubrimiento. Para fines de acabado de metales, el desengrasado implica la limpieza con solventes, limpieza en frío o desengrasado con vapor con solventes halogenados, limpieza alcalina acuosa, limpieza semiacuosa o limpieza con hidrocarburos alifáticos para eliminar la suciedad orgánica, la suciedad, el aceite y la grasa. El decapado con ácido, la limpieza abrasiva o la limpieza con llama se utilizan para eliminar la cascarilla de laminación y el óxido.

La operación de preparación más común para las superficies metálicas, aparte de la limpieza, es el revestimiento con fosfato, que se utiliza para promover la adhesión de revestimientos orgánicos sobre las superficies metálicas y retardar la corrosión. Los recubrimientos de fosfato se aplican sumergiendo o rociando superficies metálicas con una solución de fosfato de zinc, hierro o manganeso. El fosfatado es un proceso de acabado de superficies similar a la galvanoplastia, que consiste en una serie de baños de enjuague y productos químicos de proceso en los que se sumergen las piezas para lograr la preparación deseada de la superficie. Ver el artículo “Tratamiento superficial de metales” en este capítulo.

La eliminación del revestimiento, químico o mecánico, se lleva a cabo en superficies que requieren un nuevo revestimiento, reparación o inspección. El método de eliminación de revestimiento químico más común es el decapado con disolvente. Estas soluciones suelen contener fenol, cloruro de metileno y un ácido orgánico para disolver el revestimiento de la superficie revestida. Un lavado final con agua para eliminar los productos químicos puede generar grandes cantidades de aguas residuales. El chorreado abrasivo es el proceso mecánico común, una operación en seco que utiliza aire comprimido para impulsar un medio de chorreado contra la superficie para eliminar el revestimiento.

Las operaciones de preparación de la superficie afectan la cantidad de residuos del proceso específico de preparación. Si la preparación de la superficie es inadecuada, lo que da como resultado un revestimiento deficiente, la eliminación del revestimiento y el repintado se suman a la generación de residuos.

Estucado

La operación de revestimiento implica transferir el revestimiento a la superficie y curar el revestimiento sobre la superficie. La mayoría de las tecnologías de recubrimiento se clasifican en 1 de 5 categorías básicas: recubrimiento por inmersión, recubrimiento por rodillo, recubrimiento por flujo, recubrimiento por rociado y la técnica más común, recubrimiento por rociado atomizado con aire utilizando recubrimientos a base de solventes.

Los recubrimientos por rociado con aire atomizado generalmente se llevan a cabo en un ambiente controlado debido a las emisiones de solventes y el exceso de rociado. Los dispositivos de control de exceso de rociado son filtros de tela o paredes de agua, que generan filtros usados ​​o aguas residuales de los sistemas de depuración de aire.

El curado se lleva a cabo para convertir el aglutinante del revestimiento en una superficie adherente dura y tenaz. Los mecanismos de curado incluyen: secado, horneado o exposición a un haz de electrones o luz infrarroja o ultravioleta. El curado genera COV significativos a partir de recubrimientos a base de solventes y presenta un potencial de explosión si las concentraciones de solventes superan el límite explosivo inferior. En consecuencia, las operaciones de curado están equipadas con dispositivos de control de la contaminación del aire para evitar las emisiones de COV y para el control de seguridad para evitar explosiones.

Las preocupaciones ambientales y de salud, el aumento de las reglamentaciones que afectan a las formulaciones de recubrimientos convencionales, los altos costos de solventes y la costosa eliminación de desechos peligrosos han creado una demanda de formulaciones de recubrimientos alternativas que contengan componentes menos peligrosos y generen menos desechos cuando se apliquen. Las formulaciones de recubrimiento alternativas incluyen:

• Recubrimientos de alto contenido de sólidos, que contiene el doble de pigmento y resina en el mismo volumen de solvente que los recubrimientos convencionales. La aplicación reduce las emisiones de VOC entre un 62 y un 85 % en comparación con los recubrimientos convencionales a base de solventes con bajo contenido de sólidos porque se reduce el contenido de solventes.
• Recubrimientos a base de agua usando agua y una mezcla de disolventes orgánicos como vehículo con agua como base. En comparación con los recubrimientos a base de solventes, los recubrimientos a base de agua generan entre un 80 y un 95 % menos de emisiones de VOC y de solventes gastados que los recubrimientos convencionales a base de solventes con bajo contenido de sólidos.
• Recubrimientos en polvo que no contiene disolvente orgánico, que consiste en partículas de pigmento y resina finamente pulverizadas. Son polvos termoplásticos (resina de alto peso molecular para recubrimientos gruesos) o termoendurecibles (compuestos de bajo peso molecular que forman una capa delgada antes de la reticulación química).

Limpieza de equipos

La limpieza del equipo es una operación de mantenimiento de rutina necesaria en los procesos de recubrimiento. Esto crea cantidades significativas de desechos peligrosos, particularmente si se usan solventes halogenados para la limpieza. La limpieza de equipos para recubrimientos a base de solventes se ha realizado tradicionalmente de forma manual con solventes orgánicos para eliminar los recubrimientos de los equipos de proceso. La tubería requiere lavado con solvente en lotes hasta que esté limpia. El equipo de recubrimiento debe limpiarse entre cambios de producto y después de paradas del proceso. Los procedimientos y prácticas utilizados determinarán el nivel de residuos generados por estas actividades.

Gestión de residuos

Los procesos de recubrimiento generan varias corrientes de desechos. Los residuos sólidos incluyen contenedores de revestimiento vacíos, lodos de revestimiento del exceso de rociado y limpieza de equipos, filtros usados ​​y materiales abrasivos, revestimiento seco y trapos de limpieza.

Los desechos líquidos incluyen aguas residuales de la preparación de superficies, control de exceso de rociado o limpieza de equipos, materiales de preparación de superficies o recubrimientos fuera de especificación o en exceso, exceso de rociado, derrames y soluciones de limpieza usadas. El reciclaje de circuito cerrado en el sitio se está volviendo más popular para los solventes usados ​​a medida que aumentan los costos de eliminación. Los líquidos a base de agua generalmente se tratan en el sitio antes de descargarlos a los sistemas de tratamiento de propiedad pública.

Las emisiones de VOC son generadas por todos los procesos de recubrimiento convencionales que utilizan recubrimientos a base de solventes, lo que requiere dispositivos de control como unidades de adsorción de carbón, condensadores u oxidantes catalíticos térmicos.

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La diversidad de procesos y productos dentro de la industria de microelectrónica y semiconductores es inmensa. El enfoque de la discusión sobre salud y seguridad ocupacional en este capítulo se centra en la producción de circuitos integrados (IC) de semiconductores (tanto en productos a base de silicio como en compuestos de valencia III-V), producción de placas de cableado impreso (PWB), placas de circuito impreso (PCB) montaje y montaje de computadoras.

La industria se compone de numerosos segmentos importantes. La Asociación de la Industria Electrónica utiliza la siguiente delineación al informar datos sobre tendencias, ventas y empleo pertinentes dentro de la industria:

• componentes electrónicos

• la electrónica de consumo

• telecomunicaciones

• comunicaciones de defensa

• computadoras y equipos periféricos

• electrónica industrial

• electrónica médica.

Los componentes electrónicos incluyen tubos de electrones (p. ej., tubos receptores, de propósito especial y de televisión), productos de estado sólido (p. ej., transistores, diodos, circuitos integrados, diodos emisores de luz (LED) y pantallas de cristal líquido (LCD)) y pasivos y otros componentes (por ejemplo, condensadores, resistencias, bobinas, transformadores e interruptores).

Los productos electrónicos de consumo incluyen televisores y otros productos de audio y video para el hogar y portátiles, así como equipos de información tales como computadoras personales, máquinas de transmisión de facsímil y contestadores telefónicos. El hardware y el software de juegos electrónicos, los sistemas de seguridad para el hogar, los casetes de audio y video y los disquetes vírgenes, los accesorios electrónicos y las baterías primarias totales también se incluyen en el encabezado de productos electrónicos de consumo.

Además de las computadoras especializadas y de uso general, las computadoras y los equipos periféricos incluyen equipos auxiliares de almacenamiento, equipos de entrada/salida (p. ej., teclados, ratones, dispositivos ópticos de escaneo e impresoras), terminales, etc. Si bien las telecomunicaciones, las comunicaciones de defensa y la electrónica industrial y médica utilizan parte de la misma tecnología, estos segmentos también involucran equipos especializados.

El surgimiento de la industria de la microelectrónica ha tenido un profundo impacto en la evolución y estructura de la economía mundial. El ritmo de cambio dentro de las naciones industrializadas del mundo se ha visto muy influenciado por los avances dentro de esta industria, específicamente en la evolución del circuito integrado. Este ritmo de cambio se representa gráficamente en la línea de tiempo del número de transistores por chip de circuito integrado (ver figura 1).

Figura 1. Transistores por chip de circuito integrado

La importancia económica de las ventas de semiconductores en todo el mundo es significativa. La Figura 2 es una proyección de la Asociación de la Industria de Semiconductores para las ventas de semiconductores regionales y mundiales de 1993 a 1998.

Figura 2. Pronóstico de ventas de semiconductores a nivel mundial

Las industrias de ensamblaje de circuitos integrados de semiconductores y de computadoras/electrónica son únicas en comparación con la mayoría de las demás categorías industriales en la composición relativa de su fuerza laboral de producción. El área de fabricación de semiconductores cuenta con un alto porcentaje de operarias que manejan los equipos de proceso. Las tareas relacionadas con el operador normalmente no requieren levantar objetos pesados ​​ni un exceso de fuerza física. Además, muchas de las tareas laborales involucran habilidades motoras finas y atención a los detalles. Los trabajadores masculinos predominan en las tareas relacionadas con el mantenimiento, las funciones de ingeniería y la gestión. Una composición similar se encuentra en la porción de ensamblaje de computadoras/electrónica de este segmento industrial. Otra característica inusual de esta industria es la concentración de la fabricación en el área de Asia/Pacífico del mundo. Esto es especialmente cierto en el montaje final or back-end Procesos en la industria de los semiconductores. Este procesamiento implica el posicionamiento y la colocación del chip de circuito integrado fabricado (técnicamente conocido como troquel) en un soporte de chip y un marco de plomo. Este procesamiento requiere un posicionamiento preciso del chip, generalmente a través de un microscopio, y habilidades motoras muy finas. Nuevamente, las trabajadoras predominan en esta parte del proceso, con la mayor parte de la producción mundial concentrándose en la Cuenca del Pacífico, con altas concentraciones en Taiwán, Malasia, Tailandia, Indonesia y Filipinas, y números crecientes en China y Vietnam.

Las áreas de fabricación de circuitos integrados de semiconductores tienen varias propiedades y características inusuales exclusivas de esta industria. Es decir, el procesamiento de IC implica regímenes y requisitos de control de partículas extremadamente estrictos. Un área de fabricación de circuitos integrados moderna típica puede clasificarse como una sala limpia de Clase 1 o menos. Como método de comparación, un entorno exterior sería superior a la Clase 500,000; una habitación típica en una casa de aproximadamente Clase 100,000; y un área de ensamblaje de back-end de semiconductores de aproximadamente Clase 10,000. Alcanzar este nivel de control de partículas implica colocar al trabajador de fabricación en un lugar totalmente cerrado. trajes de conejito que cuenten con sistemas de suministro y filtración de aire para controlar los niveles de partículas generadas por los trabajadores en el área de fabricación. Los ocupantes humanos de las áreas de fabricación se consideran generadores muy potentes de partículas finas del aire que exhalan, la muda de piel y cabello, y de su ropa y zapatos. Este requisito de usar ropa confinada y aislar las rutinas de trabajo ha contribuido a que los empleados sientan que están trabajando en un ambiente de trabajo "no hospitalario". Véase la figura 3. Además, en el área fotolitográfica, el procesamiento implica exponer la oblea a una solución fotoactiva y luego modelar una imagen en la superficie de la oblea usando luz ultravioleta. Para aliviar la luz ultravioleta (UV) no deseada de esta área de procesamiento, se utilizan luces amarillas especiales (carecen del componente de longitud de onda UV que normalmente se encuentra en la iluminación interior). Estas luces amarillas ayudan a que los trabajadores sientan que están en un ambiente de trabajo diferente y posiblemente pueden tener un efecto de desorientación en algunas personas.

Figura 3. Una sala blanca de última generación

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Vista general del proceso

La descripción del procesamiento de dispositivos semiconductores de silicio, ya sean dispositivos discretos (un semiconductor que contiene solo un dispositivo activo, como un transistor) o circuitos integrados (conjuntos interconectados de elementos activos y pasivos dentro de un único sustrato semiconductor capaz de realizar al menos una función de circuito electrónico) , implica numerosas operaciones altamente técnicas y específicas. La intención de esta descripción es proporcionar un marco básico y una explicación de los pasos del componente principal utilizados en la fabricación de un dispositivo semiconductor de silicio y los problemas relacionados con el medio ambiente, la salud y la seguridad (EHS).

La fabricación de un circuito integrado implica una secuencia de procesos que pueden repetirse muchas veces antes de que se complete un circuito. Los circuitos integrados más populares utilizan 6 o más máscaras para completar los procesos de creación de patrones, siendo típicos entre 10 y 24 máscaras. La fabricación de un microcircuito comienza con una oblea de silicio de ultra alta pureza de 4 a 12 pulgadas de diámetro. El silicio perfectamente puro es casi un aislante, pero ciertas impurezas, llamadas dopantes, agregados en cantidades de 10 a 100 partes por millón, hacen que el silicio conduzca la electricidad.

Un circuito integrado puede constar de millones de transistores (también diodos, resistencias y condensadores) hechos de silicio dopado, todos conectados por el patrón apropiado de conductores para crear la lógica de la computadora, la memoria u otro tipo de circuito. Se pueden hacer cientos de microcircuitos en una oblea.

Seis pasos principales del proceso de fabricación son universales para todos los dispositivos semiconductores de silicio: oxidación, litografía, grabado, dopaje, deposición de vapor químico y metalización. A estos les siguen el montaje, las pruebas, el marcado, el embalaje y el envío.

Oxidación

En general, el primer paso en el procesamiento de dispositivos semiconductores implica la oxidación de la superficie exterior de la oblea para hacer crecer una capa delgada (alrededor de una micra) de dióxido de silicio (SiO₂). Esto protege principalmente la superficie de las impurezas y sirve como máscara para el proceso de difusión posterior. Esta capacidad de hacer crecer una oblea protectora químicamente estable de dióxido de silicio sobre silicio hace que las obleas de silicio sean el sustrato semiconductor más utilizado.

La oxidación, comúnmente llamada oxidación térmica, es un proceso por lotes que tiene lugar en un horno de difusión de alta temperatura. La capa protectora de dióxido de silicio crece en atmósferas que contienen oxígeno (O₂) (oxidación seca) u oxígeno combinado con vapor de agua (H₂O) (oxidación húmeda). Las temperaturas en el horno oscilan entre 800 y 1,300^oC. También se pueden agregar compuestos de cloro en forma de cloruro de hidrógeno (HCl) para ayudar a controlar las impurezas no deseadas.

La tendencia en las instalaciones de fabricación más nuevas es hacia los hornos de oxidación vertical. Los hornos verticales abordan mejor la necesidad de un mayor control de la contaminación, un tamaño de oblea más grande y un procesamiento más uniforme. Permiten una huella de equipo más pequeña que conserva el valioso espacio del piso de la sala limpia.

oxidación seca

Las obleas de silicio que se van a oxidar se limpian primero con una solución de detergente y agua, y se enjuagan con disolvente con xileno, alcohol isopropílico u otros disolventes. Las obleas limpias se secan, se cargan en un soporte de obleas de cuarzo llamado bote y cargado en el extremo del operador (final de carga) del tubo o celda del horno de difusión de cuarzo. El extremo de entrada del tubo (fuente final) suministra oxígeno de alta pureza o una mezcla de oxígeno y nitrógeno. El flujo de oxígeno "seco" se controla en el tubo de cuarzo y asegura que haya un exceso de oxígeno disponible para el crecimiento de dióxido de silicio en la superficie de la oblea de silicio. La reacción química básica es:

si + o₂ → SiO₂

oxidación húmeda

Cuatro métodos de introducción de vapor de agua se usan comúnmente cuando el agua es el agente oxidante: pirofórico, de alta presión, burbujeador y flash. Las reacciones químicas básicas son:

Pirofóricos y de alta presión: Si + 2O₂ + 2 H₂ → SiO₂ + 2H₂O

Flash y burbujeador: Si + 2H₂O _→ SiO₂ + 2H₂

oxidación pirofórica implica la introducción y combustión de una mezcla gaseosa de hidrógeno/oxígeno. Tales sistemas son generalmente llamados hidrógeno quemado or antorcha sistemas El vapor de agua se produce cuando se introducen cantidades adecuadas de hidrógeno y oxígeno en el extremo de entrada del tubo y se les permite reaccionar. La mezcla debe controlarse con precisión para garantizar una combustión adecuada y evitar la acumulación de gas hidrógeno explosivo.

Oxidación a alta presión (HiPox) se denomina técnicamente sistema de pirosíntesis de agua y genera vapor de agua a través de la reacción de hidrógeno y oxígeno ultrapuros. Luego, el vapor se bombea a una cámara de alta presión y se presuriza a 10 atmósferas, lo que acelera el proceso de oxidación húmeda. El agua desionizada también se puede utilizar como fuente de vapor.

In oxidación del burbujeador El agua desionizada se coloca en un recipiente llamado burbujeador y mantenido a una temperatura constante por debajo de su punto de ebullición de 100°C mediante el uso de una manta calefactora. El nitrógeno u oxígeno gaseoso ingresa por el lado de entrada del burbujeador, se satura con vapor de agua a medida que asciende a través del agua y sale por la salida hacia el horno de difusión. Los sistemas de burbujeo parecen ser el método de oxidación más utilizado.

In oxidación instantánea El agua desionizada se gotea continuamente en la superficie inferior calentada de un recipiente de cuarzo y el agua se evapora rápidamente una vez que toca la superficie caliente. El gas portador de nitrógeno u oxígeno fluye sobre el agua que se evapora y lleva el vapor de agua al horno de difusión.

Litografía

La litografía, también conocida como fotolitografía o simplemente enmascaramiento, es un método para formar con precisión patrones en la oblea oxidada. El circuito microelectrónico se construye capa por capa, cada capa recibe un patrón de una máscara prescrita en el diseño del circuito.

Los oficios de impresión desarrollaron los verdaderos antecedentes de los procesos de microfabricación de dispositivos semiconductores de hoy. Estos desarrollos se relacionan con la fabricación de placas de impresión, generalmente de metal, en las que la eliminación del material mediante ataque químico produce un patrón de relieve en la superficie. Esta misma técnica básica se utiliza para producir dominar mascarillas utilizado en la fabricación de cada capa de procesamiento de un dispositivo.

Los diseñadores de circuitos digitalizan los circuitos básicos de cada capa. Este esquema computarizado permite la generación rápida del circuito de la máscara y facilita cualquier cambio que pueda ser necesario. Esta técnica se conoce como diseño asistido por computadora (CAD). Utilizando potentes algoritmos informáticos, estos sistemas de diseño en línea permiten al diseñador diseñar y modificar los circuitos directamente en pantallas de visualización de video con capacidades gráficas interactivas.

El dibujo final, o máscara, para cada capa de circuitos se crea mediante un fototrazador o generador de patrones controlado por computadora. Estos dibujos fototrazados se reducen luego al tamaño real del circuito, una máscara maestra producida en vidrio con relieve cromado y reproducida en una placa de trabajo que sirve para la impresión por contacto o por proyección en la oblea.

Estas máscaras delinean el patrón de las áreas conductoras y aislantes que se transfieren a la oblea mediante fotolitografía. La mayoría de las empresas no producen sus propias mascarillas, sino que utilizan las proporcionadas por un productor de mascarillas.

Limpieza

La necesidad de una superficie de oblea exterior libre de partículas y contaminación requiere una limpieza frecuente. Las principales categorías son:

• lavado con agua desionizada y detergente

• disolvente: alcohol isopropílico (IPA), acetona, etanol, terpenos

• ácido: fluorhídrico (HF), sulfúrico (H₂SO₄) y peróxido de hidrógeno (H₂O₂), clorhídrico (HCl), nítrico (HNO₃) y mezclas

• cáustico: hidróxido de amonio (NH₄OH).

Resistir la aplicación

Las obleas se recubren con un material resistente de polímero a base de solvente y se giran rápidamente en un hilandero, que extiende una fina capa uniforme. Luego, los solventes se evaporan, dejando una película polimérica. Todos los materiales resistentes dependen de los cambios inducidos por la radiación (principalmente ultravioleta) en la solubilidad de un polímero orgánico sintético en un enjuague de revelador seleccionado. Los materiales resistentes se clasifican como resistentes negativos o positivos, dependiendo de si la solubilidad en el revelador disminuye (negativo) o aumenta (positivo) tras la exposición a la radiación. La Tabla 1 identifica la composición de los componentes de varios sistemas fotorresistentes.

Tabla 1. Sistemas fotorresistentes

PB = base polimérica; S = disolvente; D = desarrollador.

Dado que la mayoría de los fotoprotectores son sensibles a la luz ultravioleta (UV), el área de procesamiento se ilumina con luces amarillas especiales que carecen de longitudes de onda UV sensibles (consulte la figura 1).

Figura 1. Equipo fotolitográfico “Habitación amarilla”

Las resistencias UV negativas y positivas se utilizan principalmente en la industria. Sin embargo, las resistencias de haz de electrones y de rayos X están ganando cuota de mercado debido a sus resoluciones más altas. Los problemas de salud en la litografía se deben principalmente a los peligros reproductivos potenciales asociados con las resistencias positivas seleccionadas (p. ej., acetato de éter monoetílico de etilenglicol como vehículo) que actualmente la industria está eliminando gradualmente. Los olores ocasionales de las resistencias negativas (p. ej., xileno) también generan preocupaciones para los empleados. Debido a estas preocupaciones, los higienistas industriales de la industria de semiconductores dedican una gran cantidad de tiempo a muestrear operaciones de fotoprotección. Si bien esto es útil para caracterizar estas operaciones, las exposiciones de rutina durante las operaciones de hilado y revelado son típicamente menos del 5% de los estándares de exposición ocupacional en el aire para los solventes utilizados en el proceso (Scarpace et al. 1989).

Se encontró una exposición de 1 hora a acetato de éter monoetílico de etilenglicol de 6.3 ppm durante la operación de un sistema giratorio. Esta exposición fue causada principalmente por malas prácticas de trabajo durante la operación de mantenimiento (Baldwin, Rubin y Horowitz 1993).

Secado y precocción

Después de que se ha aplicado la resistencia, las obleas se mueven sobre una pista o se mueven manualmente desde el rotor a un horno de temperatura controlada con atmósfera de nitrógeno. Una temperatura moderada (70 a 90 °C) hace que la fotoprotección se cure (horneado suave) y los solventes restantes se evaporen.

Para asegurar la adhesión de la capa protectora a la oblea, se aplica a la oblea una imprimación, hexametildisilizano (HMDS). La imprimación une el agua molecular en la superficie de la oblea. HMDS se aplica ya sea directamente en un proceso de inmersión o giro o a través de una imprimación de vapor que ofrece ventajas de proceso y costo sobre los otros métodos.

Alineación y exposición de máscaras

La máscara y la oblea se juntan utilizando una pieza precisa de equipo óptico/mecánico, y la imagen de la máscara se alinea con cualquier patrón que ya exista en la oblea debajo de la capa de fotorresistencia. Para la primera máscara, no es necesaria ninguna alineación. En tecnologías más antiguas, la alineación de capas sucesivas es posible gracias al uso de un biscopio (microscopio de doble lente) y controles de precisión para posicionar la oblea con respecto a la máscara. En las tecnologías más nuevas, la alineación se realiza automáticamente utilizando puntos de referencia en las obleas.

Una vez que se realiza la alineación, una fuente de lámpara de arco o vapor de mercurio ultravioleta de alta intensidad brilla a través de la máscara, exponiendo la resistencia en lugares no protegidos por regiones opacas de la máscara.

Los diversos métodos de alineación y exposición de obleas incluyen la exposición a la inundación de rayos UV (contacto o proximidad), la exposición a los rayos UV a través de lentes de proyección para la reducción (proyección), la exposición de reducción gradual y repetida de los rayos UV (proyección), la inundación de rayos X (proximidad) y la exploración del haz de electrones. exposición (escritura directa). El método principal en uso implica la exposición a los rayos UV del vapor de mercurio y lámparas de arco a través de alineadores de proximidad o de proyección. Las resistencias UV están diseñadas para reaccionar a un amplio espectro de longitudes de onda UV, o están formuladas para reaccionar preferentemente a una o más de las principales líneas del espectro emitidas por la lámpara (p. ej., línea g a 435 nm, línea h a 405 nm e i-line a 365 nm).

Las longitudes de onda predominantes de la luz ultravioleta que se utilizan actualmente en el fotoenmascaramiento son de 365 nm o más, pero los espectros de las lámparas ultravioleta también contienen energía significativa en la región de longitud de onda que preocupa a la salud, la región actínica por debajo de 315 nm. Normalmente, la intensidad de la radiación ultravioleta que escapa del equipo es menor que la presente de la luz solar en la región actínica y los estándares establecidos para la exposición ocupacional a los rayos ultravioleta.

Ocasionalmente, durante el mantenimiento, la alineación de la lámpara UV requiere que se energice fuera del gabinete del equipo o sin los filtros protectores normales. Los niveles de exposición durante esta operación pueden exceder los límites de exposición ocupacional, pero la vestimenta estándar para salas limpias (p. ej., batas, guantes de vinilo, máscaras faciales y anteojos de seguridad de policarbonato con inhibidor de rayos ultravioleta) suele ser adecuada para atenuar la luz ultravioleta por debajo de los límites de exposición (Baldwin y Stewart 1989). ).

Si bien las longitudes de onda predominantes para las lámparas ultravioleta utilizadas en fotolitografía son de 365 nm o más, la búsqueda de características más pequeñas en los circuitos integrados avanzados está llevando al uso de fuentes de exposición con longitudes de onda más pequeñas, como los rayos X y UV profundos. Una nueva tecnología para este propósito es el uso de láseres excímeros de fluoruro de criptón que se utilizan en motores paso a paso. Estos motores paso a paso utilizan una longitud de onda de 248 nm con salidas de alta potencia de láser. Sin embargo, los recintos de estos sistemas contienen el haz durante el funcionamiento normal.

Al igual que con otros equipos que contienen sistemas láser de alta potencia utilizados en la fabricación de semiconductores, la principal preocupación es cuándo se deben anular los enclavamientos del sistema durante la alineación del haz. Los láseres de alta potencia también son uno de los riesgos eléctricos más importantes en la industria de los semiconductores. Incluso después de desconectar la alimentación, existe un potencial de choque significativo dentro de la herramienta. Las consideraciones de diseño de controles y seguridad para estos sistemas están cubiertas por Escher, Weathers y Labonville (1993).

Una fuente de exposición de tecnología avanzada utilizada en litografía son los rayos X. Los niveles de emisión de las fuentes de litografía de rayos X pueden generar índices de dosis cercanos a los 50 milisieverts (5 rems) por año en el centro del equipo. Se recomienda restringir el acceso a las áreas dentro de la pared protegida para minimizar la exposición (Rooney y Leavey 1989).

Desarrollo

Durante el paso de desarrollo, las áreas no polimerizadas del protector se disuelven y eliminan. El revelador a base de solvente se aplica a la superficie de la oblea cubierta con resist por inmersión, rociado o atomización. Las soluciones de revelador se identifican en la tabla 1. Un enjuague con solvente (n-acetato de butilo, alcohol isopropílico, acetona, etc.) se suele aplicar después del revelador para eliminar cualquier material residual. La capa protectora que queda después del revelado protege las capas individuales durante el procesamiento posterior.

Repostería

Después de alinear, exponer y desarrollar la resistencia, las obleas se trasladan a otro horno de temperatura controlada con atmósfera de nitrógeno. El horno de temperatura más alta (120 a 135 °C) hace que la fotoprotección se cure y se polimerice por completo en la superficie de la oblea (horneado duro).

Pelado fotorresistente

Luego, la oblea revelada se graba selectivamente con productos químicos húmedos o secos (consulte "Grabado" a continuación). El fotoprotector restante se debe quitar de la oblea antes de continuar con el procesamiento. Esto se hace mediante el uso de soluciones químicas húmedas en baños de temperatura controlada o mediante el uso de una ceniza de plasma o un producto químico seco. La Tabla 2 identifica los componentes químicos secos y húmedos. A continuación se presenta una discusión sobre el grabado con plasma químico seco, utilizando el mismo equipo y los mismos principios de operación que la incineración por plasma.

Tabla 2. Decapantes fotorresistentes

Químico húmedo

 Ácido

Sulfúrico (H₂SO₄) y crómico (CrO₃)

Sulfúrico (H₂SO₄) y persulfato de amonio ((NH₄)₂S₂O₈)

Sulfúrico (H₂SO₄) y peróxido de hidrógeno (H₂O₂)

Agricultura

Fenoles, ácidos sulfúricos, triclorobenceno, percloroetileno

Éteres de glicol, etanolamina, trietanolamina

Hidróxido de sodio y silicatos (resistencia positiva)

Producto químico seco

Incineración por plasma (pelado)

Fuente de alimentación de RF (radiofrecuencia): frecuencia de 13.56 MHz o 2,450 MHz

Oxígeno (O₂) fuente de gas

Sistemas de bomba de vacío

—Aceite lubricado con trampa de nitrógeno líquido (tecnología antigua)
—Lubricado con fluidos de perfluoropoliéter inertes (tecnología más nueva)
—Bomba seca (tecnología más nueva)

Aguafuerte

El grabado elimina las capas de dióxido de silicio (SiO₂), metales y polisilicio, así como protectores, de acuerdo con los patrones deseados delineados por el protector. Las dos categorías principales de grabado son químicos húmedos y secos. El grabado húmedo se usa predominantemente e involucra soluciones que contienen los grabadores (generalmente una mezcla ácida) en las concentraciones deseadas, que reaccionan con los materiales que se eliminarán. El grabado en seco implica el uso de gases reactivos al vacío en una cámara altamente energizada, que también elimina las capas deseadas que no están protegidas por la resistencia.

Químico húmedo

Las soluciones de grabado químico húmedo se alojan en baños de grabado a temperatura controlada hechos de polipropileno (poly-pro), polipropileno resistente a las llamas (FRPP) o cloruro de polivinilo (PVC). Por lo general, los baños están equipados con ventilación de escape tipo plenum tipo anillo o escape ranurado en la parte trasera de la estación de grabado químico húmedo. Las campanas de flujo laminar vertical suministran aire libre de partículas filtrado uniformemente a la superficie superior de los baños de grabado. Las soluciones químicas de grabado húmedo comunes se presentan en la tabla 3, en relación con la capa superficial que se está grabando.

Tabla 3. Grabadores químicos húmedos

Las campanas de suministro de flujo montadas verticalmente, cuando se usan junto con protectores contra salpicaduras y ventilación de escape, pueden crear áreas de turbulencia de aire dentro de la estación de grabado químico húmedo. Como resultado, es posible una disminución en la efectividad de la ventilación de extracción local para capturar y enrutar los contaminantes fugitivos del aire de los baños de grabado en uso.

La principal preocupación con el grabado húmedo es la posibilidad de contacto de la piel con los ácidos concentrados. Si bien todos los ácidos utilizados en el grabado pueden causar quemaduras por ácido, la exposición al ácido fluorhídrico (HF) es especialmente preocupante. El lapso de tiempo entre el contacto con la piel y el dolor (hasta 24 horas para soluciones con menos del 20 % de HF y de 1 a 8 horas para soluciones con 20 a 50 % de HF) puede ocasionar un retraso en el tratamiento y quemaduras más graves de lo esperado (Hathaway et al. 1991). .

Históricamente, las quemaduras por ácido han sido un problema particular dentro de la industria. Sin embargo, la incidencia de contacto de la piel con ácidos se ha reducido en los últimos años. Parte de esta reducción se debió a mejoras relacionadas con el producto en el proceso de grabado, como el cambio al grabado en seco, el uso de más robótica y la instalación de sistemas de dosificación de productos químicos. La reducción en la tasa de quemaduras por ácido también se puede atribuir a mejores técnicas de manejo, mayor uso de equipo de protección personal, cubiertas húmedas mejor diseñadas y mejor entrenamiento, todo lo cual requiere atención continua si se quiere que la tasa disminuya aún más (Baldwin y Williams 1996). ).

Producto químico seco

El grabado químico seco es un área de creciente interés y uso debido a su capacidad para controlar mejor el proceso de grabado y reducir los niveles de contaminación. El procesamiento químico seco graba efectivamente las capas deseadas mediante el uso de gases químicamente reactivos o mediante bombardeo físico.

Se han desarrollado sistemas de grabado por plasma químicamente reactivos que pueden grabar con eficacia silicio, dióxido de silicio, nitruro de silicio, aluminio, tantalio, compuestos de tantalio, cromo, tungsteno, oro y vidrio. Se utilizan dos tipos de sistemas de reactores de grabado por plasma: el de barril, o cilíndrico, y el de placas paralelas, o plano. Ambos operan con los mismos principios y principalmente varían únicamente en la configuración.

Un plasma es similar a un gas excepto que algunos de los átomos o moléculas del plasma están ionizados y pueden contener una cantidad sustancial de radicales libres. El reactor típico consta de una cámara de reactor de vacío que contiene la oblea, generalmente de aluminio, vidrio o cuarzo; una fuente de energía de radiofrecuencia (RF), generalmente a 450 kHz, 13.56 MHz o 40.5 MHz y un módulo de control para controlar el tiempo de procesamiento, la composición del gas reactivo, el caudal de gas y el nivel de potencia de RF. Además, una fuente de vacío de bomba de desbaste lubricada con aceite (tecnología más antigua) o seca (tecnología más nueva) está en línea con la cámara del reactor. Las obleas se cargan en el reactor, ya sea individualmente o en casetes, una bomba evacua la cámara y se introduce el gas reactivo (generalmente tetrafluoruro de carbono). La ionización del gas forma el plasma de grabado, que reacciona con las obleas para formar productos volátiles que se bombean. La introducción de gas reactivo nuevo en la cámara mantiene la actividad de grabado. La Tabla 4 identifica los materiales y gases de plasma en uso para grabar varias capas.

Tabla 4. Gases de grabado por plasma y materiales grabados

Otro método que se está desarrollando actualmente para el grabado es el microondas aguas abajo. Utiliza una descarga de microondas de alta densidad de potencia para producir átomos metaestables con una larga vida útil que graban el material casi como si estuviera sumergido en ácido.

Los procesos de grabado físico son similares al pulido con chorro de arena en el sentido de que se utilizan átomos de gas argón para bombardear físicamente la capa que se va a grabar. Se utiliza un sistema de bomba de vacío para eliminar el material dislocado. El grabado con iones reactivos implica una combinación de grabado en seco químico y físico.

El proceso de pulverización es uno de impacto de iones y transferencia de energía. El grabado por pulverización catódica incorpora un sistema de pulverización catódica, en el que la oblea que se va a grabar se une a un electrodo negativo u objetivo en un circuito de descarga luminiscente. El material sale disparado de la oblea por bombardeo con iones positivos, generalmente argón, y da como resultado la dislocación de los átomos de la superficie. La energía es proporcionada por una fuente de RF a una frecuencia de 450 kHz. Se utiliza un sistema de vacío en línea para el control de la presión y la eliminación de los reactivos.

El grabado y fresado con haz de iones es un proceso de grabado suave que utiliza un haz de iones de baja energía. El sistema de haz de iones consta de una fuente para generar el haz de iones, una cámara de trabajo en la que se produce el grabado o el fresado, una placa objetivo para sujetar las obleas en el haz de iones, un sistema de bomba de vacío, componentes electrónicos e instrumentos de apoyo. El haz de iones se extrae de un gas ionizado (argón o argón/oxígeno) o plasma, que se crea mediante la descarga eléctrica. La descarga se obtiene aplicando un voltaje entre un cátodo de filamento caliente emisor de electrones y un cilindro de ánodo ubicado en el diámetro exterior de la región de descarga.

La molienda de haz de iones se realiza en el rango de baja energía del bombardeo de iones, donde solo ocurren interacciones superficiales. Estos iones, generalmente en el rango de 500 a 1,000 eV, golpean un objetivo y chisporrotear átomos de la superficie rompiendo las fuerzas que unen el átomo con su vecino. El grabado con haz de iones se realiza en un rango de energía ligeramente más alto, lo que implica una dislocación más dramática de los átomos de la superficie.

El grabado con iones reactivos (RIE) es una combinación de pulverización física y grabado con especies químicas reactivas a bajas presiones. RIE utiliza bombardeo de iones para lograr un grabado direccional y también un gas químicamente reactivo, tetrafluoruro de carbono (CF₄) o tetracloruro de carbono (CCl₄), para mantener una buena selectividad de la capa grabada. Se coloca una oblea en una cámara con una atmósfera de un compuesto gaseoso químicamente reactivo a una presión baja de alrededor de 0.1 torr (1.3 x 10^-4 atmósfera). Una descarga eléctrica crea un plasma de "radicales libres" reactivos (iones) con una energía de unos pocos cientos de electronvoltios. Los iones golpean la superficie de la oblea verticalmente, donde reaccionan para formar especies volátiles que son eliminadas por un sistema de vacío en línea de baja presión.

Los grabadores secos a veces tienen un ciclo de limpieza que se utiliza para eliminar los depósitos que se acumulan en el interior de las cámaras de reacción. Los compuestos originales utilizados para los plasmas del ciclo de limpieza incluyen trifluoruro de nitrógeno (NF₃), hexafluoroetano (C₂F₆) y octafluoropropano (C₃F₈).

Estos tres gases utilizados en el proceso de limpieza, y muchos de los gases utilizados en el grabado, son la piedra angular de un problema ambiental al que se enfrenta la industria de los semiconductores que surgió a mediados de la década de 1990. Se identificó que varios de los gases altamente fluorados tienen un potencial significativo de calentamiento global (o efecto invernadero). (Estos gases también se conocen como PFC, compuestos perfluorados). La larga vida atmosférica, el alto potencial de calentamiento global y el aumento significativo del uso de PFC como NF₃, C₂F₆, C₃F₈, FC₄, trifluorometano (CHF₃) y hexafluoruro de azufre (SF₆) hizo que la industria de los semiconductores se centrara en formas de reducir sus emisiones.

Las emisiones atmosféricas de PFC de la industria de los semiconductores se han debido a la baja eficiencia de las herramientas (muchas herramientas consumían solo del 10 al 40 % del gas utilizado) y al equipo inadecuado de reducción de emisiones al aire. Los depuradores húmedos no son efectivos para eliminar los PFC, y las pruebas en muchas unidades de combustión encontraron eficiencias de destrucción deficientes para algunos gases, especialmente CF₄. Muchas de estas unidades de combustión se averiaron C₂F₆ y C₃F₈ en CF₄. Además, el alto costo de propiedad de estas herramientas de reducción, su demanda de energía, la liberación de otros gases que contribuyen al calentamiento global y los subproductos de la combustión de contaminantes atmosféricos peligrosos indicaron que la reducción de la combustión no era un método adecuado para controlar las emisiones de PFC.

La fabricación de herramientas de proceso más eficientes, la identificación y el desarrollo de alternativas más respetuosas con el medio ambiente a estos gases de grabado en seco y la recuperación/reciclado de los gases de escape han sido los énfasis medioambientales asociados con los grabadores en seco.

El mayor énfasis en la higiene ocupacional para los grabadores en seco ha sido la posible exposición del personal de mantenimiento que trabaja en las cámaras de reacción, bombas y otros equipos asociados que pueden contener residuos de productos de reacción. La complejidad de los grabadores de metales por plasma y la dificultad para caracterizar los olores asociados a su mantenimiento los ha convertido en objeto de numerosas investigaciones.

Los productos de reacción formados en los grabadores de metal por plasma son una mezcla compleja de compuestos clorados y fluorados. El mantenimiento de los grabadores de metales implica a menudo operaciones de corta duración que generan fuertes olores. Se descubrió que el hexacloroetano es la causa principal del olor en un tipo de grabador de aluminio (Helb et al. 1983). En otro, el cloruro de cianógeno fue el principal problema: los niveles de exposición fueron 11 veces superiores al límite de exposición ocupacional de 0.3 ppm (Baldwin 1985). En otros tipos de grabadores, el cloruro de hidrógeno se asocia con el olor; la exposición máxima medida fue de 68 ppm (Baldwin, Rubin y Horowitz 1993). Para información adicional sobre el tema ver Mueller y Kunesh (1989).

La complejidad de las sustancias químicas presentes en los escapes de los grabadores de metales ha llevado a los investigadores a desarrollar métodos experimentales para investigar la toxicidad de estas mezclas (Bauer et al. 1992a). La aplicación de estos métodos en estudios con roedores indica que algunas de estas mezclas químicas son mutágenos sospechosos (Bauer et al. 1992b) y toxinas reproductivas sospechosas (Schmidt et al. 1995).

Debido a que los grabadores secos funcionan como sistemas cerrados, la exposición química de los operadores del equipo generalmente no ocurre mientras el sistema está cerrado. Una rara excepción a esto es cuando el ciclo de purga de los grabadores por lotes más antiguos no es lo suficientemente largo para eliminar adecuadamente los gases del grabador. Se han informado exposiciones breves pero irritantes a compuestos de flúor que están por debajo del límite de detección para los procedimientos típicos de monitoreo de higiene industrial cuando se abren las puertas de estos grabadores. Normalmente, esto se puede corregir simplemente aumentando la duración del ciclo de purga antes de abrir la puerta de la cámara de grabado.

La principal preocupación por la exposición del operador a la energía de radiofrecuencia surge durante el grabado con plasma y la incineración (Cohen 1986; Jones 1988). Por lo general, la fuga de energía de RF puede ser causada por:

• puertas desalineadas
• grietas y agujeros en los gabinetes
• mesas de metal y cables eléctricos que actúan como antenas debido a una conexión a tierra inadecuada del grabador
• no hay pantalla atenuante en la ventana de visualización del grabador (Jones 1988; Horowitz 1992).

La exposición a RF también puede ocurrir durante el mantenimiento de los grabadores, especialmente si se ha quitado el gabinete del equipo. Una exposición de 12.9 mW/cm² se encontró en la parte superior de un grabador de plasma de modelo antiguo con la cubierta retirada para mantenimiento (Horowitz 1992). La fuga de radiación de RF real en el área donde se encuentra el operador fue típicamente inferior a 4.9 mW/cm².

Dopaje

La formación de una unión o límite eléctrico entre p y n regiones en una oblea de silicio monocristalino es el elemento esencial para el funcionamiento de todos los dispositivos semiconductores. Las uniones permiten que la corriente fluya en una dirección mucho más fácilmente que en la otra. Proporcionan la base para los efectos de diodos y transistores en todos los semiconductores. En un circuito integrado, se debe introducir un número controlado de impurezas elementales o dopantes en regiones grabadas seleccionadas del sustrato de silicio u oblea. Esto se puede hacer mediante técnicas de difusión o de implantación de iones. Independientemente de la técnica utilizada, se utilizan los mismos tipos o dopantes para la producción de uniones de semiconductores. La Tabla 5 identifica los principales componentes utilizados para el dopaje, su estado físico, tipo eléctrico (p or n) y la técnica de unión primaria en uso: difusión o implantación de iones.

Tabla 5. Dopantes de formación de uniones para difusión e implantación de iones

Las exposiciones químicas de rutina para los operadores de hornos de difusión e implantadores de iones son bajas, por lo general menos que el límite de detección de los procedimientos de muestreo de higiene ocupacional estándar. Las preocupaciones químicas con el proceso se centran en la posibilidad de escapes de gases tóxicos.

Ya en la década de 1970, los fabricantes progresivos de semiconductores comenzaron a instalar los primeros sistemas continuos de monitoreo de gases inflamables y tóxicos. El enfoque principal de este monitoreo fue detectar escapes accidentales de los gases dopantes más tóxicos con umbrales de olor por encima de sus límites de exposición ocupacional (por ejemplo, arsina y diborano).

La mayoría de los monitores de aire de higiene industrial en la industria de semiconductores se utilizan para la detección de fugas de gases tóxicos e inflamables. Sin embargo, algunas instalaciones también están utilizando sistemas de monitoreo continuo para:

• analizar las emisiones del conducto de escape (chimenea)
• cuantificar las concentraciones en el aire ambiente de sustancias químicas volátiles
• identificar y cuantificar olores en las áreas fab.

Las tecnologías más utilizadas en la industria de los semiconductores para este tipo de monitoreo son la detección colorimétrica de gases (p. ej., detector de gas continuo MDA), sensores electroquímicos (p. ej., monitores sensidyne) y el infrarrojo por transformada de Fourier (p. ej., Telos ACM) (Baldwin y Williams 1996). .

Difusión

Difusión es un término utilizado para describir el movimiento de los dopantes desde las regiones de alta concentración en el extremo de la fuente del horno de difusión hacia las regiones de menor concentración dentro de la oblea de silicio. La difusión es el método más establecido de formación de uniones.

Esta técnica consiste en someter una oblea a una atmósfera calentada dentro del horno de difusión. El horno contiene los dopantes deseados en forma de vapor y da como resultado la creación de regiones de actividad eléctrica dopada, ya sea p or n. Los dopantes más utilizados son el boro para el tipo p; y fósforo (P), arsénico (As) o antimonio (Sb) para el tipo n (ver tabla 5).

Por lo general, las obleas se apilan en un contenedor o bote de cuarzo y se colocan en el horno de difusión. El horno de difusión contiene un tubo largo de cuarzo y un mecanismo para un control preciso de la temperatura. El control de la temperatura es extremadamente importante, ya que las tasas de difusión de los diversos dopantes de silicio son principalmente una función de la temperatura. Las temperaturas de uso oscilan entre 900 y 1,300 ^oC, según el dopante y el proceso específicos.

El calentamiento de la oblea de silicio a alta temperatura permite que los átomos de impureza se difundan lentamente a través de la estructura cristalina. Las impurezas se mueven más lentamente a través del dióxido de silicio que a través del propio silicio, lo que permite que el óxido delgado patrón para servir como una máscara y, por lo tanto, permitir que el dopante ingrese al silicio solo donde está desprotegido. Después de que se hayan acumulado suficientes impurezas, las obleas se retiran del horno y la difusión cesa efectivamente.

Para un control máximo, la mayoría de las difusiones se realizan en dos pasos:predeposición y conducir en. El predepósito, o difusión con fuente constante, es el primer paso y se realiza en un horno en el que se selecciona la temperatura para lograr el mejor control de las cantidades de impurezas. La temperatura determina la solubilidad del dopante. Después de un tratamiento de predepósito comparativamente corto, la oblea se mueve físicamente a un segundo horno, generalmente a una temperatura más alta, donde un segundo tratamiento térmico conduce el dopante a la profundidad de difusión deseada en la red de la oblea de silicio.

Las fuentes de dopantes utilizadas en el paso de predepósito se encuentran en tres estados químicos distintos: gas, líquido y sólido. La Tabla 5 identifica los diversos tipos de dopantes de fuentes de difusión y sus estados físicos.

Los gases generalmente se suministran desde cilindros de gas comprimido con controles o reguladores de presión, válvulas de cierre y varios accesorios de purga y se distribuyen a través de tuberías de metal de diámetro pequeño.

Los líquidos se distribuyen normalmente desde burbujeadores, que saturan una corriente de gas portador, generalmente nitrógeno, con los vapores dopantes líquidos, como se describe en la sección sobre oxidación húmeda. Otra forma de dosificación de líquido es mediante el uso del girar sobre Dopante aparato. Esto implica poner un dopante sólido en solución con un solvente líquido, luego gotear la solución sobre la oblea y girar, de manera similar a la aplicación de fotoprotectores.

Las fuentes sólidas pueden tener la forma de una oblea de nitruro de boro, que se intercala entre dos obleas de silicio para doparlas y luego colocarlas en un horno de difusión. Además, los dopantes sólidos, en forma de polvo o perlas, pueden colocarse en un bomba de cuarzo recinto (trióxido de arsénico), descargado manualmente en el extremo de la fuente de un tubo de difusión o cargado en un horno fuente separado en línea con el horno de difusión principal.

En ausencia de controles adecuados, las exposiciones al arsénico superiores a 0.01 mg/m³ se informaron durante la limpieza de un horno de deposición (Wade et al. 1981) y durante la limpieza de cámaras de alojamiento de fuente para implantadores de iones de fuente sólida (McCarthy 1985; Baldwin, King y Scarpace 1988). Estas exposiciones ocurrieron cuando no se tomaron precauciones para limitar la cantidad de polvo en el aire. Sin embargo, cuando los residuos se mantuvieron húmedos durante la limpieza, las exposiciones se redujeron muy por debajo del límite de exposición en el aire.

En las tecnologías de difusión más antiguas, existen riesgos de seguridad durante la extracción, limpieza e instalación de los tubos del horno. Los peligros incluyen posibles cortes por piezas de cuarzo rotas y quemaduras con ácido durante la limpieza manual. En las tecnologías más nuevas, estos peligros se reducen mediante in situ limpieza de tubos que elimina gran parte del manejo manual.

Los operadores de hornos de difusión experimentan la mayor exposición rutinaria en salas limpias a campos electromagnéticos de frecuencia extremadamente baja (por ejemplo, de 50 a 60 hercios) en la fabricación de semiconductores. Se informaron exposiciones promedio superiores a 0.5 microteslas (5 miligauss) durante la operación real de los hornos (Crawford et al. 1993). Este estudio también señaló que el personal de la sala limpia que trabajaba cerca de los hornos de difusión tenía exposiciones promedio medidas que eran notablemente más altas que las de otros trabajadores de la sala limpia. Este hallazgo fue consistente con las mediciones puntuales reportadas por Rosenthal y Abdollahzadeh (1991), quienes encontraron que los hornos de difusión producían lecturas de proximidad (5 cm o 2 pulgadas de distancia) de hasta 10 a 15 microteslas, con los campos circundantes cayendo más gradualmente con la distancia. que otros equipos de sala blanca estudiados; incluso a 6 pies de distancia de los hornos de difusión, las densidades de flujo reportadas fueron de 1.2 a 2 microteslas (Crawford et al. 1993). Estos niveles de emisión están muy por debajo de los límites actuales de exposición basados ​​en la salud establecidos por la Organización Mundial de la Salud y los establecidos por países individuales.

Implantación de iones

La implantación de iones es el método más nuevo de introducir elementos de impurezas a temperatura ambiente en obleas de silicio para la formación de uniones. Los átomos dopantes ionizados (es decir, átomos despojados de uno o más de sus electrones) se aceleran a una alta energía haciéndolos pasar a través de una diferencia de potencial de decenas de miles de voltios. Al final de su recorrido, golpean la oblea y se incrustan a varias profundidades, según su masa y energía. Como en la difusión convencional, una capa de óxido estampada o un patrón fotorresistente enmascara selectivamente la oblea de los iones.

Un sistema típico de implantación de iones consta de una fuente de iones (fuente de dopante gaseoso, generalmente en pequeñas botellas de conferencia), equipo de análisis, acelerador, lente de enfoque, trampa de haz neutral, cámara de proceso de escáner y un sistema de vacío (normalmente tres juegos separados de en línea). bombas de desbaste y de difusión de aceite). La corriente de electrones se genera a partir de un filamento caliente por resistencia, una descarga de arco o un haz de electrones de cátodo frío.

Generalmente, después de que se implantan las obleas, se realiza un paso de recocido a alta temperatura (de 900 a 1,000 °C) mediante un recocido con rayo láser o recocido pulsado con una fuente de haz de electrones. El proceso de recocido ayuda a reparar el daño a la superficie exterior de la oblea implantada causado por el bombardeo de iones dopantes.

Con la llegada de un sistema de suministro seguro para los cilindros de gas de arsina, fosfina y trifluoruro de boro utilizados en los implantadores de iones, el potencial de liberación catastrófica de estos gases se ha reducido considerablemente. Estos pequeños cilindros de gas se llenan con un compuesto en el que se adsorben la arsina, la fosfina y el trifluoruro de boro. Los gases se extraen de los cilindros mediante el uso de vacío.

Los implantadores de iones son uno de los riesgos eléctricos más importantes en la industria de los semiconductores. Incluso después de desconectar la alimentación, existe un potencial de choque significativo dentro de la herramienta y debe disiparse antes de trabajar dentro del implantador. Se garantiza una revisión cuidadosa de las operaciones de mantenimiento y los riesgos eléctricos para todos los equipos recién instalados, pero especialmente para los implantadores de iones.

Se han encontrado exposiciones a hidruros (probablemente una mezcla de arsina y fosfina) de hasta 60 ppb durante el mantenimiento de criobombas implantadoras de iones (Baldwin, Rubin y Horowitz 1993). Además, las altas concentraciones de arsina y fosfina pueden liberar gases de las piezas del implantador contaminadas que se retiran durante el mantenimiento preventivo (Flipp, Hunsaker y Herring 1992).

Las aspiradoras portátiles con filtros atenuadores de partículas de alta eficiencia (HEPA) se utilizan para limpiar superficies de trabajo contaminadas con arsénico en áreas de implantación de iones. Exposiciones superiores a 1,000 μg/m³ se midieron cuando las aspiradoras HEPA se limpiaron incorrectamente. Las aspiradoras HEPA, cuando se descargan en el espacio de trabajo, también pueden distribuir de manera eficiente el olor distintivo parecido a un hidruro asociado con la limpieza de la línea de haz del implantador de iones (Baldwin, Rubin y Horowitz 1993).

Si bien es una preocupación, no ha habido informes publicados de exposiciones significativas a gases dopantes durante los cambios de aceite de las bombas de vacío que se usan con dopantes, posiblemente porque esto generalmente se hace como un sistema cerrado. La falta de exposición informada también puede ser el resultado de niveles bajos de liberación de gases de hidruros del aceite usado.

El resultado de un estudio de campo en el que se calentaron 700 ml de aceite de bomba de desbaste usado de un implantador de iones que usaba arsina y fosfina solo mostró concentraciones detectables de hidruros en el aire en el espacio de cabeza de la bomba cuando el aceite de la bomba excedía los 70^oC (Baldwin, King y Scarpace 1988). Dado que las temperaturas normales de funcionamiento de las bombas mecánicas preliminares son de 60 a 80^oC, este estudio no indicó el potencial de una exposición significativa.

Durante la implantación de iones, los rayos X se forman incidentalmente a la operación. La mayoría de los implantadores están diseñados con suficiente blindaje de gabinete (que incluye láminas de plomo colocadas estratégicamente alrededor de la carcasa de la fuente de iones y las puertas de acceso adyacentes) para mantener la exposición de los empleados por debajo de 2.5 microsieverts (0.25 milirems) por hora (Maletskos y Hanley 1983). Sin embargo, se encontró que un modelo más antiguo de implantadores tenía una fuga de rayos X superior a 20 microsieverts por hora (μSv/h) en la superficie de la unidad (Baldwin, King y Scarpace 1988). Estos niveles se redujeron a menos de 2.5 μSv/h después de instalar un blindaje de plomo adicional. Se descubrió que otro modelo más antiguo de implantador de iones tenía fugas de rayos X alrededor de una puerta de acceso (hasta 15 μSv/hr) y en una ventana de visualización (hasta 3 μSv/hr). Se agregó blindaje de plomo adicional para atenuar posibles exposiciones (Baldwin, Rubin y Horowitz 1993).

Además de las exposiciones a rayos X de los implantadores de iones, se ha postulado la posibilidad de formación de neutrones si el implantador funciona a más de 8 millones de electronvoltios (MeV) o si se utiliza gas deuterio como fuente de iones (Rogers 1994). Sin embargo, los implantadores normalmente están diseñados para operar a muy por debajo de 8 MeV, y el deuterio no se usa comúnmente en la industria (Baldwin y Williams 1996).

Deposición de vapor químico

La deposición de vapor químico (CVD) implica la estratificación de material adicional sobre la superficie de la oblea de silicio. Las unidades CVD normalmente funcionan como un sistema cerrado, lo que resulta en una exposición química mínima o nula para los operadores. Sin embargo, puede ocurrir una breve exposición al cloruro de hidrógeno por encima de 5 ppm cuando se limpian ciertos predepuradores CVD (Baldwin y Stewart 1989). Dos categorías amplias de depósito son de uso común: epitaxial y la categoría más general de CVD no epitaxial.

Deposición de vapor químico epitaxial

El crecimiento epitaxial es la deposición rígidamente controlada de una fina película monocristalina de un material que mantiene la misma estructura cristalina que la capa de oblea del sustrato existente. Sirve como matriz para fabricar componentes semiconductores en procesos de difusión posteriores. La mayoría de las películas epitaxiales crecen sobre sustratos del mismo material, como silicio sobre silicio, en un proceso denominado homoepitaxia. El crecimiento de capas de diferentes materiales sobre un sustrato, como silicio sobre zafiro, se denomina procesamiento de dispositivos IC de heteroepitaxia.

Se utilizan tres técnicas principales para hacer crecer las capas epitaxiales: fase de vapor, fase líquida y haz molecular. La epitaxia de fase líquida y de haz molecular se utilizan principalmente en el procesamiento de dispositivos III-V (p. ej., GaAs). Estos se tratan en el artículo “Fabricación de semiconductores III-V”.

La epitaxia en fase de vapor se utiliza para hacer crecer una película mediante la CVD de moléculas a una temperatura de 900 a 1,300^oC. Los vapores que contienen silicio y cantidades controladas de dopantes de tipo p o n en un gas portador (generalmente hidrógeno) se pasan sobre obleas calentadas para depositar capas dopadas de silicio. El proceso se realiza generalmente a presión atmosférica.

La Tabla 6 identifica los cuatro tipos principales de epitaxia en fase de vapor, los parámetros y las reacciones químicas que tienen lugar.

Tabla 6. Principales categorías de epitaxia en fase de vapor de silicio

La secuencia de depósito normalmente seguida en un proceso epitaxial implica:

• limpieza de sustrato—lavado físico, desengrasado con disolventes, limpieza con ácido (sulfúrico, nítrico y clorhídrico, y el fluorhídrico es una secuencia común) y operación de secado

• carga de obleas

• calentar— purga de nitrógeno y calentamiento a aproximadamente 500 °C, luego se usa gas hidrógeno y los generadores de RF calientan inductivamente las obleas

• grabado con cloruro de hidrógeno (HCl)—por lo general, se dispensa una concentración de 1 a 4% de HCl a la cámara del reactor

• declaración—la fuente de silicio y los gases dopantes se dosifican y depositan en la superficie de la oblea

• enfriarse-El hidrógeno gaseoso se cambió nuevamente a nitrógeno a 500°C.

• descarga.

Deposición de vapor químico no epitaxial

Mientras que el crecimiento epitaxial es una forma muy específica de CVD en la que la capa depositada tiene la misma orientación de la estructura cristalina que la capa del sustrato, la CVD no epitaxial es la formación de un compuesto estable sobre un sustrato calentado por reacción térmica o descomposición de compuestos gaseosos.

CVD se puede utilizar para depositar muchos materiales, pero en el procesamiento de semiconductores de silicio, los materiales que generalmente se encuentran, además del silicio epitaxial, son:

• silicio policristalino (poli Si)

• dióxido de silicio (SiO₂—tanto dopado como no dopado; vidrio dopado p)

• nitruro de silicio (Si₃N₄).

Cada uno de estos materiales puede depositarse en una variedad de formas y cada uno tiene muchas aplicaciones.

La Tabla 7 identifica las tres categorías principales de ECV utilizando la temperatura de funcionamiento como mecanismo de diferenciación.

Tabla 7. Principales categorías de deposición química de vapor de silicio (CVD)

* Nota: Las reacciones no están balanceadas estequiométricamente.

**Nombres genéricos, patentados o de marca registrada para sistemas de reactor CVD

Los siguientes componentes se encuentran en casi todos los tipos de equipos CVD:

• cámara de reacción
• sección de control de gases
• control de tiempo y secuencia
• fuente de calor para sustratos
• manejo de efluentes.

Básicamente, el proceso de CVD implica el suministro de cantidades controladas de gases fuente de silicio o nitruro, junto con gases portadores de nitrógeno y/o hidrógeno, y un gas dopante si se desea, para la reacción química dentro de la cámara del reactor. Se aplica calor para proporcionar la energía necesaria para la reacción química además de controlar las temperaturas superficiales del reactor y las obleas. Una vez completada la reacción, el gas fuente sin reaccionar más el gas portador se expulsan a través del sistema de manejo de efluentes y se ventilan a la atmósfera.

La pasivación es un tipo funcional de CVD. Implica el crecimiento de una capa protectora de óxido en la superficie de la oblea de silicio, generalmente como el último paso de fabricación antes del procesamiento de no fabricación. La capa proporciona estabilidad eléctrica al aislar la superficie del circuito integrado de las condiciones eléctricas y químicas del entorno.

Metalización

Una vez que los dispositivos han sido fabricados en el sustrato de silicio, deben conectarse entre sí para realizar funciones de circuito. Este proceso se conoce como metalización. La metalización proporciona un medio para cablear o interconectar las capas superiores de los circuitos integrados al depositar patrones complejos de materiales conductores, que dirigen la energía eléctrica dentro de los circuitos.

El amplio proceso de metalización se diferencia según el tamaño y espesor de las capas de metales y otros materiales que se depositan. Estos son:

• película delgada—espesor aproximado de la película de una micra o menos

• película gruesa—espesor aproximado de la película de 10 micras o más

• enchapado—los espesores de película varían de delgados a gruesos, pero generalmente películas gruesas.

Los metales más comunes utilizados para la metalización de semiconductores de silicio son: aluminio, níquel, cromo o una aleación llamada nicromo, oro, germanio, cobre, plata, titanio, tungsteno, platino y tantalio.

Las películas delgadas o gruesas también se pueden evaporar o depositar sobre varios sustratos de cerámica o vidrio. Algunos ejemplos de estos sustratos son: alúmina (96% Al₂0₃), berilio (99 % BeO), vidrio de borosilicato, pirocerámica y cuarzo (SiO₂).

Película delgada

La metalización de película delgada a menudo se aplica mediante el uso de una técnica de deposición o evaporación de alto vacío o de vacío parcial. Los principales tipos de evaporación al alto vacío son el haz de electrones, la evaporación instantánea y la resistiva, mientras que la deposición al vacío parcial se realiza principalmente mediante pulverización catódica.

Para realizar cualquier tipo de metalización al vacío de película delgada, un sistema generalmente consta de los siguientes componentes básicos:

• una cámara que se puede evacuar para proporcionar un vacío suficiente para la deposición

• una bomba (o bombas) de vacío para reducir los gases ambientales en la cámara

• instrumentación para monitorear el nivel de vacío y otros parámetros

• un método para depositar o evaporar las capas de material metalizado.

Evaporación por haz de electrones, frecuentemente llamado haz de electrones, usa un haz enfocado de electrones para calentar el material de metalización. Se genera un haz de electrones de alta intensidad de manera similar a la que se utiliza en un tubo de imagen de televisión. Una corriente de electrones se acelera a través de un campo eléctrico de típicamente 5 a 10 kV y se enfoca en el material a evaporar. El haz de electrones enfocado derrite el material contenido en un bloque enfriado por agua con una gran depresión llamada solera. Luego, el material derretido se vaporiza dentro de la cámara de vacío y se condensa en las obleas frías, así como en toda la superficie de la cámara. Luego se realizan operaciones estándar de fotoprotección, exposición, revelado y grabado húmedo o seco para delinear el intrincado circuito metalizado.

evaporación instantánea es otra técnica para la deposición de películas delgadas metalizadas. Este método se utiliza principalmente cuando se va a evaporar simultáneamente una mezcla de dos materiales (aleaciones). Algunos ejemplos de películas de dos componentes son: níquel/cromo (Nichrome), cromo/monóxido de silicio (SiO) y aluminio/silicio.

En la evaporación instantánea, una barra de cerámica se calienta por resistencia térmica y una bobina de alambre alimentada continuamente, una corriente de gránulos o polvo distribuido por vibración se pone en contacto con el filamento o barra caliente. Los metales vaporizados luego recubren la cámara interior y las superficies de la oblea.

Evaporación resistiva (también conocida como evaporación de filamentos) es la forma de deposición más simple y menos costosa. La evaporación se logra aumentando gradualmente la corriente que fluye a través del filamento para derretir primero los bucles de material que se va a evaporar, humedeciendo así el filamento. Una vez que se humedece el filamento, la corriente a través del filamento aumenta hasta que se produce la evaporación. La principal ventaja de la evaporación resistiva es la amplia variedad de materiales que se pueden evaporar.

El trabajo de mantenimiento a veces se realiza en la superficie interior de las cámaras de deposición del evaporador de haz de electrones llamadas campanas de vidrio. Cuando los técnicos de mantenimiento tienen la cabeza dentro de las campanas de cristal, pueden ocurrir exposiciones significativas. La eliminación de los residuos metálicos que se depositan en la superficie interior de las campanas de cristal puede provocar tales exposiciones. Por ejemplo, las exposiciones de los técnicos muy por encima del límite de exposición en el aire para la plata se midieron durante la eliminación de residuos de un evaporador utilizado para depositar plata (Baldwin y Stewart 1989).

La limpieza de residuos de campanas de cristal con disolventes de limpieza orgánicos también puede resultar en una alta exposición a los disolventes. Se han producido exposiciones de técnicos a metanol por encima de 250 ppm durante este tipo de limpieza. Esta exposición se puede eliminar usando agua como solvente de limpieza en lugar de metanol (Baldwin y Stewart 1989).

El deposición por pulverización catódica El proceso tiene lugar en una atmósfera de gas de baja presión o de vacío parcial, utilizando corriente eléctrica continua (CC o pulverización catódica) o voltajes de RF como fuente de alta energía. En la pulverización catódica, se introducen iones de gas inerte de argón en una cámara de vacío después de que se haya alcanzado un nivel de vacío satisfactorio mediante el uso de una bomba de desbaste. Un campo eléctrico se forma al aplicar un alto voltaje, normalmente de 5,000 V, entre dos placas con cargas opuestas. Esta descarga de alta energía ioniza los átomos de gas argón y hace que se muevan y aceleren hacia una de las placas de la cámara llamada objetivo. Cuando los iones de argón chocan con el objetivo hecho del material que se va a depositar, desalojan o chisporrotean estos átomos o moléculas. Los átomos desprendidos del material de metalización se depositan luego en una película delgada sobre los sustratos de silicio que miran hacia el objetivo.

Se encontró que la fuga de RF por los costados y la parte posterior de muchas unidades de pulverización catódica más antiguas excedía el límite de exposición ocupacional (Baldwin y Stewart 1989). La mayor parte de la fuga se debió a grietas en los gabinetes causadas por la remoción repetida de los paneles de mantenimiento. En los modelos más nuevos del mismo fabricante, los paneles con malla de alambre a lo largo de las costuras evitan fugas significativas. Los pulverizadores más antiguos se pueden adaptar con malla de alambre o, alternativamente, se puede usar cinta de cobre para cubrir las costuras y reducir las fugas.

Película gruesa

La estructura y las dimensiones de la mayoría de las películas gruesas no son compatibles con la metalización de los circuitos integrados de silicio, principalmente debido a las limitaciones de tamaño. Las películas gruesas se utilizan principalmente para la metalización de estructuras electrónicas híbridas, como en la fabricación de pantallas LCD.

El proceso de serigrafía es el método dominante de aplicación de películas gruesas. Los materiales de película gruesa típicamente usados ​​son paladio, plata, dióxido de titanio y vidrio, oro-platino y vidrio, oro-vidrio y plata-vidrio.

Las películas gruesas resistivas normalmente se depositan y modelan sobre un sustrato cerámico utilizando técnicas de serigrafía. cermet es una forma de película gruesa resistiva compuesta por una suspensión de partículas metálicas conductoras en una matriz cerámica con una resina orgánica como relleno. Las estructuras cermet típicas están compuestas de óxido de cromo, plata u plomo en una matriz de monóxido o dióxido de silicio.

Enchapado

Se utilizan dos tipos básicos de técnicas de revestimiento para formar películas metálicas sobre sustratos semiconductores: revestimiento galvánico y revestimiento no electrolítico.

In galvanoplastia, el sustrato que se va a metalizar se coloca en el cátodo, o terminal con carga negativa, del tanque de metalizado y se sumerge en una solución electrolítica. Un electrodo hecho del metal que se va a enchapar sirve como ánodo o terminal cargado positivamente. Cuando pasa una corriente continua a través de la solución, los iones metálicos cargados positivamente, que se disuelven en la solución desde el ánodo, migran y se depositan en el cátodo (sustrato). Este método de recubrimiento se utiliza para formar películas conductoras de oro o cobre.

In chapado sin electrodos, la reducción y oxidación simultáneas del metal a recubrir se utiliza para formar un átomo o molécula de metal libre. Dado que este método no requiere conducción eléctrica durante el proceso de recubrimiento, se puede utilizar con sustratos de tipo aislante. El níquel, el cobre y el oro son los metales más comunes depositados de esta manera.

Aleación/recocido

Después de depositar y grabar las interconexiones metalizadas, se puede realizar un paso final de aleación y recocido. La aleación consiste en colocar los sustratos metalizados, generalmente con aluminio, en un horno de difusión a baja temperatura para asegurar un contacto de baja resistencia entre el metal aluminio y el sustrato de silicio. Finalmente, ya sea durante el paso de aleación o inmediatamente después, las obleas a menudo se exponen a una mezcla de gases que contiene hidrógeno en un horno de difusión a 400 a 500 °C. El paso de recocido está diseñado para optimizar y estabilizar las características del dispositivo al combinar el hidrógeno con átomos no comprometidos en o cerca de la interfaz silicio-dióxido de silicio.

Backlapping y metalización trasera

También hay un paso de procesamiento de metalización opcional llamado backlapping. La parte posterior de la oblea se puede lapear o moler usando una solución abrasiva húmeda y presión. Se puede depositar un metal como el oro en el lado posterior de la oblea mediante pulverización catódica. Esto facilita la unión de la matriz separada al paquete en el ensamblaje final.

Montaje y prueba

El procesamiento que no es de fabricación, que incluye empaque externo, accesorios, encapsulación, ensamblaje y prueba, normalmente se realiza en instalaciones de producción separadas y muchas veces se realiza en países del sudeste asiático, donde estos trabajos intensivos en mano de obra son menos costosos de realizar. Además, los requisitos de ventilación para el proceso y el control de partículas son generalmente diferentes (sin sala limpia) en las áreas de procesamiento que no son de fabricación. Estos pasos finales del proceso de fabricación implican operaciones que incluyen soldadura, desengrasado, pruebas con productos químicos y fuentes de radiación, y recorte y marcado con láser.

Normalmente, la soldadura durante la fabricación de semiconductores no genera una alta exposición al plomo. Para evitar daños térmicos en el circuito integrado, la temperatura de la soldadura se mantiene por debajo de la temperatura a la que puede producirse una formación significativa de humo de plomo fundido (430 °C). Sin embargo, la limpieza del equipo de soldadura raspando o cepillando los residuos que contienen plomo puede resultar en exposiciones al plomo superiores a 50 μg/m³ (Baldwin y Stewart 1989). Además, las exposiciones al plomo de 200 μg/m³ han ocurrido cuando se utilizan técnicas inadecuadas de remoción de escoria durante las operaciones de soldadura por ola (Baldwin y Williams 1996).

Una preocupación creciente con las operaciones de soldadura es la irritación respiratoria y el asma debido a la exposición a los productos de pirólisis de los fundentes de soldadura, particularmente durante las operaciones de soldadura manual o de retoque, donde históricamente no se ha utilizado comúnmente la ventilación de escape local (a diferencia de las operaciones de soldadura por ola, que durante las últimas décadas se han encerrado típicamente en gabinetes agotados) (Goh y Ng 1987). Consulte el artículo "Placa de circuito impreso y ensamblaje de computadora" para obtener más detalles.

Dado que la colofonia en el fundente de soldadura es un sensibilizador, todas las exposiciones deben reducirse al mínimo posible, independientemente de los resultados del muestreo de aire. Las nuevas instalaciones de soldadura en particular deben incluir ventilación de escape local cuando la soldadura se vaya a realizar durante períodos prolongados (p. ej., más de 2 horas).

Los humos de la soldadura manual se elevarán verticalmente en las corrientes térmicas y entrarán en la zona de respiración del empleado cuando la persona se incline sobre el punto de soldadura. El control generalmente se logra por medio de ventilación de escape local efectiva de alta velocidad y bajo volumen en la punta de la soldadura.

Los dispositivos que devuelven aire filtrado al lugar de trabajo pueden, si la eficiencia de filtración es inadecuada, causar una contaminación secundaria que puede afectar a las personas en el lugar de trabajo que no sean las que sueldan. El aire filtrado no debe devolverse a la sala de trabajo a menos que la cantidad de soldadura sea pequeña y la sala tenga una buena ventilación general de dilución.

Clasificación y prueba de obleas

Una vez que se completa la fabricación de obleas, cada oblea intrínsecamente terminada se somete a un proceso de clasificación de obleas en el que los circuitos integrados en cada troquel específico se prueban eléctricamente con sondas controladas por computadora. Una oblea individual puede contener de cien a muchos cientos de troqueles o chips separados que deben probarse. Una vez finalizados los resultados de la prueba, los troqueles se marcan físicamente con una resina epoxi de un componente dispensada automáticamente. El rojo y el azul se utilizan para identificar y clasificar las matrices que no cumplen con las especificaciones eléctricas deseadas.

Separación de troqueles

Con los dispositivos o circuitos en la oblea probados, marcados y clasificados, el individuo que muere en la oblea debe estar físicamente separado. Se han diseñado varios métodos para separar los troqueles individuales: grabado con diamante, grabado con láser y aserrado con rueda de diamante.

El trazado de diamantes es el método más antiguo en uso e implica dibujar una punta incrustada de diamante de forma precisa a lo largo de la oblea a lo largo de la línea de trazado o "calle" que separa los troqueles individuales en la superficie de la oblea. La imperfección en la estructura cristalina causada por el grabado permite que la oblea se doble y se rompa a lo largo de esta línea.

El trazado por láser es una técnica de separación de troqueles relativamente reciente. Un rayo láser es generado por un láser pulsado de neodimio-itrio de alta potencia. El haz genera un surco en la oblea de silicio a lo largo de las líneas grabadas. La ranura sirve como línea a lo largo de la cual se rompe la oblea.

Un método ampliamente utilizado de separación de troqueles es el aserrado en húmedo: cortar sustratos a lo largo de la calle con una sierra circular de diamante de alta velocidad. El aserrado puede cortar parcialmente (escribir) o cortar completamente (dados) a través del sustrato de silicio. Mediante el aserrado se genera una lechada húmeda de material retirado de la calle.

Fijación y pegado de troqueles

El troquel o chip individual debe estar unido a un paquete portador y a un marco de plomo de metal. Los portadores suelen estar hechos de un material aislante, ya sea de cerámica o de plástico. Los materiales de soporte cerámicos suelen estar hechos de alúmina (Al₂O₃), pero posiblemente puede consistir en berilio (BeO) o esteatita (MgO-SiO₂). Los materiales de soporte de plástico son del tipo de resina termoplástica o termoendurecible.

La unión de la matriz individual generalmente se logra mediante uno de los tres tipos distintos de unión: eutéctica, preforma y epoxi. La fijación del troquel eutéctico implica el uso de una aleación de soldadura fuerte eutéctica, como oro-silicio. En este método, se deposita previamente una capa de metal dorado en la parte posterior de la matriz. Al calentar el paquete por encima de la temperatura eutéctica (370 °C para oro-silicio) y colocar el troquel sobre él, se forma una unión entre el troquel y el paquete.

La unión de preformas implica el uso de una pequeña pieza de material de composición especial que se adherirá tanto a la matriz como al paquete. Se coloca una preforma en el área de unión del troquel de un paquete y se deja que se funda. A continuación, se frota el troquel por toda la región hasta que se une el troquel y, a continuación, se enfría el paquete.

La unión con epoxi implica el uso de un pegamento epoxi para unir la matriz al paquete. Se dispensa una gota de epoxi en el paquete y se coloca el troquel encima. Es posible que el paquete deba hornearse a una temperatura elevada para curar el epoxi correctamente.

Una vez que el troquel está unido físicamente al paquete, se deben proporcionar conexiones eléctricas entre el circuito integrado y los cables del paquete. Esto se logra mediante el uso de técnicas de termocompresión, ultrasónicas o termosónicas para unir cables de oro o aluminio entre las áreas de contacto del chip de silicio y los cables del paquete.

La unión por termocompresión se usa a menudo con alambre de oro e implica calentar el paquete a aproximadamente 300^oC y formar la unión entre el cable y las almohadillas de unión usando calor y presión. Se utilizan dos tipos principales de unión por termocompresión:unión de bolas y unión de cuña. La unión de bolas, que se usa solo con alambre de oro, alimenta el alambre a través de un tubo capilar, lo comprime y luego una llama de hidrógeno lo derrite. Además, esto forma una nueva bola en el extremo del cable para el próximo ciclo de unión. La unión en cuña implica una herramienta de unión en forma de cuña y un microscopio que se utiliza para colocar el chip de silicio y el paquete con precisión sobre la almohadilla de unión. El proceso se realiza en atmósfera inerte.

La unión ultrasónica utiliza un pulso de energía ultrasónica de alta frecuencia para proporcionar una acción de limpieza que forma una unión entre el cable y la almohadilla de unión. La unión ultrasónica se usa principalmente con alambre de aluminio y, a menudo, se prefiere a la unión por termocompresión, ya que no requiere que el chip del circuito se caliente durante la operación de unión.

La unión termosónica es un cambio tecnológico reciente en la unión de hilos de oro. Implica el uso de una combinación de energías ultrasónicas y térmicas y requiere menos calor que la unión por termocompresión.

La encapsulación

El propósito principal de la encapsulación es colocar un circuito integrado en un paquete que cumpla con los requisitos eléctricos, térmicos, químicos y físicos asociados con la aplicación del circuito integrado.

Los tipos de paquete más utilizados son el tipo de cable radial, el paquete plano y el paquete dual en línea (DIP). Los paquetes de tipo radial están hechos principalmente de Kovar, una aleación de hierro, níquel y cobalto, con sellos de vidrio duro y cables Kovar. Los paquetes planos usan marcos de metal y plomo, generalmente hechos de una aleación de aluminio combinada con componentes de cerámica, vidrio y metal. Los paquetes duales en línea son generalmente los más comunes y, a menudo, usan cerámica o plásticos moldeados.

Los paquetes de semiconductores de plástico moldeado se producen principalmente mediante dos procesos separados:moldeo por transferencia y moldeo por inyección. El moldeo por transferencia es el método de encapsulación de plástico predominante. En este método, los chips se montan en marcos de plomo sin recortar y luego se cargan por lotes en moldes. Las formas en polvo o gránulos de compuestos de moldeo de plástico termoendurecibles se funden en una olla calentada y luego se fuerzan (transfieren) bajo presión a los moldes cargados. Los sistemas de compuestos de moldeo de plástico en forma de polvo o gránulos se pueden utilizar en resinas epoxi, silicona o silicona/epoxi. El sistema generalmente consiste en una mezcla de:

• resinas termoendurecibles—epoxi, silicona o silicona/epoxi

• endurecedores—epoxi novolacas y epoxi anhídridos

• rellenos—dióxido de silicio cristalino o fundido con sílice (SiO₂) y alúmina (Al₂O₃), generalmente 50-70% en peso

• retardante de fuego—trióxido de antimonio (Sb₂O₃) generalmente 1-5% en peso.

El moldeo por inyección utiliza un compuesto de moldeo termoplástico o termoestable que se calienta hasta su punto de fusión en un cilindro a una temperatura controlada y se fuerza bajo presión a través de una boquilla hacia el molde. La resina se solidifica rápidamente, se abre el molde y se expulsa el paquete de encapsulación. En el moldeo por inyección se utiliza una amplia variedad de compuestos plásticos, siendo las resinas epoxi y de sulfuro de polifenileno (PPS) las entradas más recientes en el encapsulado de semiconductores.

El embalaje final del dispositivo semiconductor de silicio se clasifica según su resistencia a las fugas o su capacidad para aislar el circuito integrado de su entorno. Estos se diferencian en sellados herméticamente (herméticos) o no herméticos.

Prueba de fugas y quemado

Prueba de fugas es un procedimiento desarrollado para probar la capacidad real de sellado o hermetismo del dispositivo empaquetado. Se utilizan dos formas comunes de prueba de fugas: detección de fugas con helio y detección de fugas con trazador radiactivo.

En la detección de fugas de helio, los paquetes completos se colocan en una atmósfera de presión de helio durante un período de tiempo. El helio puede penetrar a través de las imperfecciones del paquete. Después de retirarlo de la cámara de presurización de helio, el paquete se transfiere a una cámara de espectrómetro de masas y se prueba si hay fugas de helio por imperfecciones en el paquete.

El gas trazador radiactivo, generalmente criptón-85 (Kr-85), se sustituye por helio en el segundo método y se mide el gas radiactivo que se escapa del paquete. En condiciones normales, la exposición del personal a este proceso es inferior a 5 milisieverts (500 milirems) por año (Baldwin y Stewart 1989). Los controles para estos sistemas generalmente incluyen:

• aislamiento en habitaciones con acceso limitado solo al personal necesario

• colocar carteles de advertencia de radiación en las puertas de las habitaciones que contienen Kr-85

• monitores de radiación continua con alarmas y apagado/aislamiento automático

• sistema de escape dedicado y sala de presión negativa

• monitorear exposiciones con dosimetría personal (p. ej., placas de película de radiación)

• mantenimiento regular de alarmas y enclavamientos

• comprobaciones periódicas de fugas de material radiactivo

• capacitación en seguridad para operadores y técnicos

• garantizar que las exposiciones a la radiación se mantengan tan bajas como sea razonablemente posible (ALARA).

Además, los materiales que entran en contacto con Kr-85 (p. ej., circuitos integrados expuestos, aceite de bomba usado, válvulas y juntas tóricas) se inspeccionan para garantizar que no emitan niveles excesivos de radiación debido al gas residual que contienen antes de retirarlos de el área controlada. Leach-Marshal (1991) proporciona información detallada sobre las exposiciones y los controles de los sistemas de detección de fugas finas Kr-85.

Marcar a fuego es una operación de estrés eléctrico y de temperatura para determinar la confiabilidad del dispositivo empaquetado final. Los dispositivos se colocan en un horno de temperatura controlada durante un período de tiempo prolongado utilizando una atmósfera ambiental o una atmósfera inerte de nitrógeno. Las temperaturas oscilan entre 125°C y 200°C (150°C es un promedio), y períodos de tiempo desde unas pocas horas hasta 1,000 horas (48 horas es un promedio).

Examen final

Para una caracterización final del rendimiento del dispositivo semiconductor de silicio empaquetado, se realiza una prueba eléctrica final. Debido al gran número y la complejidad de las pruebas requeridas, una computadora realiza y evalúa la prueba de numerosos parámetros importantes para el eventual funcionamiento del dispositivo.

marcar y empacar

La identificación física del dispositivo empaquetado final se logra mediante el uso de una variedad de sistemas de marcado. Las dos categorías principales de marcado de componentes son la impresión con y sin contacto. La impresión por contacto normalmente incorpora una técnica de offset rotativo que utiliza tintas a base de solventes. La impresión sin contacto, que transfiere las marcas sin contacto físico, implica la impresión con un cabezal de chorro de tinta o con tóner utilizando tintas a base de solventes o marcas con láser.

Los disolventes utilizados como soporte para las tintas de impresión y como prelimpiador suelen estar compuestos por una mezcla de alcoholes (etanol) y ésteres (acetato de etilo). La mayoría de los sistemas de marcado de componentes, además del marcado por láser, utilizan tintas que requieren un paso adicional para el fraguado o curado. Estos métodos de curado son el curado al aire, el curado por calor (térmico o infrarrojo) y el curado ultravioleta. Las tintas de curado ultravioleta no contienen solventes.

Los sistemas de marcado láser utilizan dióxido de carbono de alta potencia (CO₂) láser, o un láser de neodimio: itrio de alta potencia. Estos láseres suelen estar integrados en el equipo y tienen gabinetes entrelazados que encierran la trayectoria del haz y el punto donde el haz entra en contacto con el objetivo. Esto elimina el peligro del rayo láser durante las operaciones normales, pero existe un problema cuando se anulan los interbloqueos de seguridad. La operación más común en la que es necesario retirar los recintos del haz y anular los enclavamientos es la alineación del haz láser.

Durante estas operaciones de mantenimiento, lo ideal es evacuar la sala que contiene el láser, excepto para los técnicos de mantenimiento necesarios, con las puertas de la sala cerradas y señalizadas con las señales de seguridad láser adecuadas. Sin embargo, los láseres de alta potencia utilizados en la fabricación de semiconductores suelen estar ubicados en áreas de fabricación grandes y abiertas, lo que hace que sea poco práctico reubicar al personal que no es de mantenimiento durante el mantenimiento. Para estas situaciones, normalmente se establece un área de control temporal. Normalmente, estas áreas de control consisten en cortinas láser o pantallas de soldadura capaces de resistir el contacto directo con el rayo láser. La entrada al área de control temporal generalmente se realiza a través de una entrada de laberinto que se publica con una señal de advertencia cada vez que se anulan los enclavamientos del láser. Otras precauciones de seguridad durante la alineación del haz son similares a las requeridas para la operación de un láser de alta potencia de haz abierto (por ejemplo, capacitación, protección para los ojos, procedimientos escritos, etc.).

Los láseres de alta potencia también son uno de los riesgos eléctricos más importantes en la industria de los semiconductores. Incluso después de desconectar la alimentación, existe un potencial de choque significativo dentro de la herramienta y debe disiparse antes de trabajar dentro del gabinete.

Junto con el peligro del rayo y el peligro eléctrico, también se debe tener cuidado al realizar el mantenimiento de los sistemas de marcado láser debido al potencial de contaminación química del trióxido de antimonio y el berilio retardantes de fuego (los paquetes de cerámica que contengan este compuesto estarán etiquetados). Se pueden generar humos durante el marcado con láseres de alta potencia y crear residuos en las superficies del equipo y en los filtros de extracción de humos.

Los desengrasantes se han utilizado en el pasado para limpiar semiconductores antes de que se marquen con códigos de identificación. La exposición a solventes por encima del límite aplicable de exposición ocupacional en el aire puede ocurrir fácilmente si la cabeza de un operador se coloca debajo de los serpentines de enfriamiento que hacen que los vapores se vuelvan a condensar, como puede suceder cuando un operador intenta recuperar piezas que se han caído o cuando un técnico limpia residuos del fondo de la unidad (Baldwin y Stewart 1989). El uso de desengrasantes se ha reducido considerablemente en la industria de los semiconductores debido a las restricciones en el uso de sustancias que agotan la capa de ozono, como los clorofluorocarbonos y los solventes clorados.

Análisis de fallas y aseguramiento de la calidad.

Los laboratorios de análisis de fallas y análisis de calidad suelen realizar varias operaciones utilizadas para garantizar la confiabilidad de los dispositivos. Algunas de las operaciones realizadas en estos laboratorios presentan el potencial de exposición de los empleados. Éstas incluyen:

• pruebas de marcado utilizando varios solventes y mezclas corrosivas en vasos de precipitados calentados en placas calientes. Se necesita ventilación de escape local (LEV) en forma de una campana de metal con velocidades de cara adecuadas para controlar las emisiones fugitivas. Las soluciones de monoetanolamina pueden resultar en exposiciones superiores a su límite de exposición en el aire (Baldwin y Williams 1996).

• prueba de burbujas/fugas utilizando fluorocarbonos de alto peso molecular (nombre comercial Fluorinerts)

• unidades de embalaje de rayos x.

El cobalto-60 (hasta 26,000 5 curies) se utiliza en irradiadores para probar la capacidad de los circuitos integrados para resistir la exposición a la radiación gamma en aplicaciones militares y espaciales. En condiciones normales, las exposiciones del personal de esta operación son inferiores a 500 milisieverts (1989 milirems) por año (Baldwin y Stewart 85). Los controles para esta operación algo especializada son similares a los utilizados para los sistemas de fugas finas de Kr-XNUMX (por ejemplo, sala aislada, monitores de radiación continuos, monitoreo de la exposición del personal, etc.).

Pequeñas fuentes alfa de “licencia específica” (por ejemplo, micro y milicurios de americio-241) se utilizan en el proceso de análisis de fallas. Estas fuentes están cubiertas por una capa protectora delgada llamada ventana que permite que se emitan partículas alfa desde la fuente para probar la capacidad del circuito integrado para operar cuando es bombardeado por partículas alfa. Por lo general, las fuentes se revisan periódicamente (p. ej., semestralmente) para detectar fugas de material radiactivo que pueden ocurrir si la ventana protectora está dañada. Cualquier fuga detectable generalmente provoca la eliminación de la fuente y su envío de regreso al fabricante.

Los sistemas de rayos X de cabina se utilizan para comprobar el grosor de los revestimientos metálicos y para identificar defectos (p. ej., burbujas de aire en paquetes de compuestos de molde). Si bien no son una fuente importante de fugas, estas unidades generalmente se revisan periódicamente (p. ej., anualmente) con un medidor portátil para detectar fugas de rayos X y se inspeccionan para garantizar que los enclavamientos de las puertas funcionen correctamente.

Envíos

El envío es el punto final de la participación de la mayoría de los fabricantes de dispositivos de semiconductores de silicio. Los fabricantes comerciales de semiconductores venden sus productos a otros productores de productos finales, mientras que los fabricantes cautivos utilizan los dispositivos para sus propios productos finales.

Estudio de Salud

Cada paso del proceso utiliza un conjunto particular de productos químicos y herramientas que generan preocupaciones específicas sobre medio ambiente, salud y seguridad. Además de las preocupaciones asociadas con los pasos específicos del proceso en el procesamiento de dispositivos semiconductores de silicio, un estudio epidemiológico investigó los efectos sobre la salud entre los empleados de la industria de semiconductores (Schenker et al. 1992). Ver también la discusión en el artículo “Efectos en la salud y patrones de enfermedad”.

La principal conclusión del estudio fue que el trabajo en las instalaciones de fabricación de semiconductores está asociado con una mayor tasa de aborto espontáneo (SAB). En el componente histórico del estudio, el número de embarazos estudiados en empleados de fabricación y no fabricación fue aproximadamente igual (447 y 444 respectivamente), pero hubo más abortos espontáneos en fabricación (n=67) que en no fabricación (n=46) . Cuando se ajustó por varios factores que podrían causar sesgo (edad, etnia, tabaquismo, estrés, estado socioeconómico e historial de embarazo), el riesgo relativo (RR) para la fabricación frente a la no fabricación fue 1.43 (intervalo de confianza del 95% = 0.95-2.09) .

Los investigadores vincularon el aumento de la tasa de SAB con la exposición a ciertos éteres de glicol a base de etileno (EGE) que se utilizan en la fabricación de semiconductores. Los éteres de glicol específicos que participaron en el estudio y que se sospecha que causan efectos reproductivos adversos son:

• 2-metoxietanol (CAS 109-86-4)

• Acetato de 2-metoxietilo (CAS 110-49-6)

• Acetato de 2-etoxietilo (CAS 111-15-9).

Si bien no forman parte del estudio, otros dos éteres de glicol utilizados en la industria, el 2-etoxietanol (CAS 110-80-5) y el éter dimetílico de dietilenglicol (CAS 111-96-6) tienen efectos tóxicos similares y han sido prohibidos por algunos fabricantes de semiconductores.

Además de una mayor tasa de SAB asociada con la exposición a ciertos éteres de glicol, el estudio también concluyó:

• Existía una asociación inconsistente para la exposición al fluoruro (en el grabado) y SAB.

• El estrés autoinformado fue un fuerte factor de riesgo independiente para SAB entre las mujeres que trabajan en las áreas de fabricación.

• Las mujeres que trabajaban en el área de fabricación tardaron más en quedar embarazadas en comparación con las mujeres que no trabajaban en áreas de fabricación.

• Se presentó un aumento en los síntomas respiratorios (irritación de ojos, nariz y garganta y sibilancias) para los trabajadores de fabricación en comparación con los trabajadores que no son de fabricación.

• Los síntomas musculoesqueléticos de la extremidad superior distal, como dolor en la mano, la muñeca, el codo y el antebrazo, se asociaron con el trabajo en la sala de fabricación.

• La dermatitis y la caída del cabello (alopecia) se informaron con mayor frecuencia entre los trabajadores de fabricación que entre los trabajadores que no la fabricaban.

Revisión del equipo

La complejidad de los equipos de fabricación de semiconductores, junto con los continuos avances en los procesos de fabricación, hace que la revisión previa a la instalación de nuevos equipos de proceso sea importante para minimizar los riesgos de EHS. Dos procesos de revisión de equipos ayudan a garantizar que los nuevos equipos de proceso de semiconductores tengan los controles de EHS adecuados: la marca CE y los estándares de Semiconductor Equipment and Materials International (SEMI).

La marca CE es una declaración del fabricante de que el equipo así marcado cumple con los requisitos de todas las Directivas aplicables de la Unión Europea (UE). Para los equipos de fabricación de semiconductores, la Directiva de maquinaria (MD), la Directiva de compatibilidad electromagnética (EMC) y la Directiva de bajo voltaje (LVD) se consideran las directivas más aplicables.

En el caso de la Directiva EMC, es necesario contratar los servicios de un organismo competente (organización oficialmente autorizada por un estado miembro de la UE) para definir los requisitos de prueba y aprobar los resultados del examen. El MD y el LVD pueden ser evaluados por el fabricante o por un organismo notificado (organización oficialmente autorizada por un estado miembro de la UE). Independientemente del camino elegido (autoevaluación o evaluación de terceros), es el importador registrado quien es responsable de que el producto importado tenga la marca CE. Pueden utilizar la información de autoevaluación o de terceros como base para su creencia de que el equipo cumple con los requisitos de las directivas aplicables, pero, en última instancia, prepararán la declaración de conformidad y colocarán la marca CE ellos mismos.

Semiconductor Equipment and Materials International es una asociación comercial internacional que representa a los proveedores de materiales y equipos de pantalla plana y semiconductores. Entre sus actividades se encuentra el desarrollo de normas técnicas voluntarias que son acuerdos entre proveedores y clientes destinados a mejorar la calidad y confiabilidad del producto a un precio razonable y con un suministro constante.

Dos estándares SEMI que se aplican específicamente a las preocupaciones de EHS para equipos nuevos son SEMI S2 y SEMI S8. SEMI S2-93, Directrices de seguridad para equipos de fabricación de semiconductores, pretende ser un conjunto mínimo de consideraciones de EHS basadas en el rendimiento para equipos utilizados en la fabricación de semiconductores. SEMI S8-95, Guía del usuario de los criterios ergonómicos de éxito del proveedor, amplía el apartado de ergonomía en SEMI S2.

Muchos fabricantes de semiconductores exigen que un tercero certifique que los nuevos equipos cumplen los requisitos de SEMI S2. Las pautas para interpretar SEMI S2-93 y SEMI S8-95 están contenidas en una publicación del consorcio industrial SEMATECH (SEMATECH 1996). Información adicional sobre SEMI está disponible en la web mundial (http://www.semi.org).

Manipulación de productos químicos

Dosificación de líquidos

Con los sistemas automatizados de dispensación de productos químicos convirtiéndose en la regla, no en la excepción, la cantidad de quemaduras químicas en los empleados ha disminuido. Sin embargo, es necesario instalar protecciones adecuadas en estos sistemas automatizados de dispensación de productos químicos. Éstas incluyen:

• detección de fugas y cierre automático en la fuente de suministro a granel y en las cajas de conexiones

• doble contención de líneas si el producto químico se considera un material peligroso

• sensores de alto nivel en puntos finales (baño o recipiente de herramientas)

• apagado temporizado de la bomba (permite que solo se bombee una cantidad específica a una ubicación antes de que se apague automáticamente).

Dispensación de gas

La seguridad de la distribución de gas ha mejorado significativamente a lo largo de los años con la llegada de nuevos tipos de válvulas de cilindro, orificios de flujo restringido incorporados en el cilindro, paneles de purga de gas automatizados, detección y cierre de caudal alto y equipos de detección de fugas más sofisticados. Debido a su propiedad pirofórica y su amplio uso como materia prima, el gas silano representa el riesgo de explosión más significativo dentro de la industria. Sin embargo, los incidentes de gas silano se han vuelto más predecibles con una nueva investigación realizada por Factory Mutual y SEMATECH. Con orificios de flujo reducido (RFO), presiones de entrega y tasas de ventilación adecuadas, se han eliminado la mayoría de los incidentes explosivos (SEMATECH 1995).

Se han producido varios incidentes de seguridad en los últimos años debido a una mezcla descontrolada de gases incompatibles. Debido a estos incidentes, los fabricantes de semiconductores a menudo revisan las instalaciones de las líneas de gas y las cajas de gas de las herramientas para asegurarse de que no se produzca una mezcla incorrecta o un reflujo de gases.

Los problemas químicos suelen generar las mayores preocupaciones en la fabricación de semiconductores. Sin embargo, la mayoría de las lesiones y muertes dentro de la industria resultan de peligros no químicos.

Seguridad ELECTRICA

Existen numerosos peligros eléctricos asociados con los equipos utilizados en esta industria. Los enclavamientos de seguridad juegan un papel importante en la seguridad eléctrica, pero los técnicos de mantenimiento a menudo anulan estos enclavamientos. Una cantidad significativa de trabajo de mantenimiento generalmente se realiza mientras el equipo aún está energizado o solo parcialmente desenergizado. Los peligros eléctricos más significativos están asociados con los implantadores de iones y las fuentes de alimentación láser. Incluso después de desconectar la alimentación, existe un potencial de choque significativo dentro de la herramienta y debe disiparse antes de trabajar en el interior de la herramienta. El proceso de revisión SEMI S2 en los Estados Unidos y la marca CE en Europa han ayudado a mejorar la seguridad eléctrica de los equipos nuevos, pero las operaciones de mantenimiento no siempre se consideran adecuadamente. Se necesita una revisión cuidadosa de las operaciones de mantenimiento y los peligros eléctricos para todos los equipos recién instalados.

El segundo en la lista de riesgos eléctricos es el conjunto de equipos que generan energía de RF durante los procesos de grabado, pulverización catódica y limpieza de cámaras. Se necesita blindaje y conexión a tierra adecuados para minimizar el riesgo de quemaduras por radiofrecuencia.

Estos peligros eléctricos y las muchas herramientas que no se apagan durante las operaciones de mantenimiento requieren que los técnicos de mantenimiento empleen otros medios para protegerse, como los procedimientos de bloqueo/etiquetado. Los peligros eléctricos no son las únicas fuentes de energía que se abordan con bloqueo/etiquetado. Otras fuentes de energía incluyen líneas presurizadas, muchas de las cuales contienen gases o líquidos peligrosos, y controles neumáticos. Las desconexiones para controlar estas fuentes de energía deben estar en un lugar fácilmente disponible, dentro del fab (fabricación) o área de persecución donde trabajará el empleado, en lugar de lugares inconvenientes como subfabricaciones.

Ergonomía

La interfaz entre el empleado y la herramienta continúa causando lesiones. Las distensiones musculares y los esguinces son bastante comunes en la industria de los semiconductores, especialmente en el técnico de mantenimiento. El acceso a las bombas, las cubiertas de las cámaras, etc., a menudo no está bien diseñado durante la fabricación de la herramienta y durante la colocación de la herramienta en la fábrica. Las bombas deben tener ruedas o colocarse en cajones o bandejas extraíbles. Es necesario incorporar dispositivos de elevación para muchas operaciones.

El manejo simple de obleas genera riesgos ergonómicos, especialmente en instalaciones más antiguas. Las instalaciones más nuevas suelen tener obleas más grandes y, por lo tanto, requieren sistemas de manipulación más automatizados. Muchos de estos sistemas de manejo de obleas se consideran dispositivos robóticos, y las preocupaciones de seguridad con estos sistemas deben tenerse en cuenta cuando se diseñan e instalan (ANSI 1986).

Seguridad contra incendios

Además del gas silano, que ya se ha abordado, el gas hidrógeno tiene el potencial de ser un peligro de incendio significativo. Sin embargo, se entiende mejor y la industria no ha visto muchos problemas importantes asociados con el hidrógeno.

El riesgo de incendio más serio ahora está asociado con cubiertas mojadas o baños de grabado. Los materiales plásticos típicos de construcción (cloruro de polivinilo, polipropileno y polipropileno resistente al fuego) han estado involucrados en la fabricación. incendios La fuente de ignición puede ser un calentador de baño de grabado o chapado, los controles eléctricos montados directamente en el plástico o en una herramienta adyacente. Si se produce un incendio con una de estas herramientas de plástico, la contaminación por partículas y los productos de combustión corrosivos se esparcen por toda la fábrica. La pérdida económica es alta debido al tiempo de inactividad en la fábrica mientras el área y el equipo vuelven a los estándares de sala limpia. A menudo, algunos equipos costosos no se pueden descontaminar adecuadamente y se deben comprar equipos nuevos. Por lo tanto, la prevención y la protección contra incendios adecuadas son críticas.

La prevención de incendios se puede abordar con diferentes materiales de construcción no combustibles. El acero inoxidable es el material de construcción preferido para estas cubiertas húmedas, pero a menudo el proceso no “acepta” una herramienta de metal. Existen plásticos con menor potencial de incendio/humo, pero aún no se han probado adecuadamente para determinar si serán compatibles con los procesos de fabricación de semiconductores.

Para la protección contra incendios, estas herramientas deben estar protegidas por una protección de rociadores sin obstrucciones. La colocación de filtros HEPA sobre bancos húmedos a menudo bloquea los cabezales de los rociadores. Si esto ocurre, se instalan aspersores adicionales debajo de los filtros. Muchas empresas también exigen que se instale un sistema de detección y supresión de incendios dentro de las cavidades del pleno de estas herramientas, donde se inician muchos incendios.

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Las pantallas de cristal líquido (LCD) han estado disponibles comercialmente desde la década de 1970. Se utilizan comúnmente en relojes, calculadoras, radios y otros productos que requieren indicadores y tres o cuatro caracteres alfanuméricos. Las mejoras recientes en los materiales de cristal líquido permiten fabricar pantallas grandes. Si bien las pantallas LCD son solo una pequeña parte de la industria de los semiconductores, su importancia ha crecido con su uso en pantallas planas para computadoras portátiles, computadoras portátiles muy livianas y procesadores de texto dedicados. Se espera que la importancia de las pantallas LCD continúe creciendo a medida que finalmente reemplacen al último tubo de vacío comúnmente utilizado en electrónica: el tubo de rayos catódicos (CRT) (O'Mara 1993).

La fabricación de pantallas LCD es un proceso muy especializado. Los resultados del monitoreo de higiene industrial indican niveles muy bajos de contaminantes en el aire para las diversas exposiciones a solventes monitoreadas (Wade et al. 1981). En general, los tipos y cantidades de sustancias químicas sólidas, líquidas y gaseosas tóxicas, corrosivas e inflamables y agentes físicos peligrosos en uso son limitados en comparación con otros tipos de fabricación de semiconductores.

Los materiales de cristal líquido son moléculas en forma de varilla ejemplificadas por las moléculas de cianobifenilo que se muestran en la figura 1. Estas moléculas poseen la propiedad de girar en la dirección de la luz polarizada que pasa. Aunque las moléculas son transparentes a la luz visible, un recipiente del material líquido parece lechoso o translúcido en lugar de transparente. Esto ocurre porque el eje largo de las moléculas está alineado en ángulos aleatorios, por lo que la luz se dispersa al azar. Una celda de visualización de cristal líquido está dispuesta de modo que las moléculas sigan una alineación específica. Esta alineación se puede cambiar con un campo eléctrico externo, lo que permite cambiar la polarización de la luz entrante.

Figura 1. Moléculas básicas de polímero de cristal líquido

En la fabricación de pantallas planas, dos sustratos de vidrio se procesan por separado y luego se unen. El sustrato frontal está modelado para crear una matriz de filtros de color. El sustrato de vidrio trasero está diseñado para formar transistores de película delgada y las líneas de interconexión de metal. Estas dos placas se acoplan en el proceso de ensamblaje y, si es necesario, se cortan y separan en pantallas individuales. El material de cristal líquido se inyecta en un espacio entre las dos placas de vidrio. Las pantallas se inspeccionan y prueban y se aplica una película polarizadora a cada placa de vidrio.

Se requieren numerosos procesos individuales para fabricar pantallas planas. Requieren equipos, materiales y procesos especializados. Ciertos procesos clave se describen a continuación.

Preparación de sustrato de vidrio

El sustrato de vidrio es un componente esencial y costoso de la pantalla. Se requiere un control muy estricto de las propiedades ópticas y mecánicas del material en cada etapa del proceso, especialmente cuando se trata de calentamiento.

fabricación de vidrio

Se utilizan dos procesos para fabricar vidrio muy delgado con dimensiones muy precisas y propiedades mecánicas reproducibles. El proceso de fusión, desarrollado por Corning, utiliza una varilla de alimentación de vidrio que se derrite en una cubeta en forma de cuña y fluye hacia arriba y por los lados de la cubeta. Al fluir hacia abajo por ambos lados de la cubeta, el vidrio fundido se une en una sola lámina en el fondo de la cubeta y puede arrastrarse hacia abajo como una lámina uniforme. El grosor de la lámina está controlado por la velocidad de descenso del vidrio. Se pueden obtener anchos de hasta casi 1 m.

Otros fabricantes de vidrio con las dimensiones apropiadas para sustratos LCD utilizan el método de fabricación flotante. En este método, se permite que el vidrio fundido fluya sobre un lecho de estaño fundido. El vidrio no se disuelve ni reacciona con el estaño metálico, sino que flota en la superficie. Esto permite que la gravedad alise la superficie y permita que ambos lados se vuelvan paralelos. (Ver el capítulo Vidrio, cerámica y materiales relacionados.)

Hay disponible una variedad de tamaños de sustrato que se extienden hasta 450 × 550 mm y mayores. El grosor típico del vidrio para pantallas planas es de 1.1 mm. El vidrio más delgado se usa para algunas pantallas más pequeñas, como buscapersonas, teléfonos, juegos, etc.

Corte, biselado y pulido

Los sustratos de vidrio se recortan al tamaño después del proceso de fusión o flotación, típicamente a aproximadamente 1 m por lado. Varias operaciones mecánicas siguen al proceso de formación, dependiendo de la aplicación final del material.

Dado que el vidrio es quebradizo y se astilla o agrieta fácilmente en los bordes, normalmente se biselan, achaflanan o se tratan de otro modo para reducir el astillado durante la manipulación. Las tensiones térmicas en las grietas de los bordes se acumulan durante el procesamiento del sustrato y provocan la rotura. La rotura del vidrio es un problema significativo durante la producción. Además de la posibilidad de cortes y laceraciones de los empleados, representa una pérdida de rendimiento y es posible que queden fragmentos de vidrio en el equipo, lo que provoca la contaminación por partículas o el rayado de otros sustratos.

El aumento del tamaño del sustrato da como resultado mayores dificultades para el pulido del vidrio. Los sustratos grandes se montan en soportes con cera u otro adhesivo y se pulen con una suspensión de material abrasivo. Este proceso de pulido debe ir seguido de una limpieza química a fondo para eliminar cualquier resto de cera u otro residuo orgánico, así como los contaminantes metálicos contenidos en el abrasivo o medio de pulido.

Limpieza

Los procesos de limpieza se utilizan para sustratos de vidrio desnudo y para sustratos cubiertos con películas orgánicas, como filtros de color, películas de orientación de poliimida, etc. Además, los sustratos con películas semiconductoras, aislantes y metálicas requieren limpieza en ciertos puntos del proceso de fabricación. Como mínimo, se requiere una limpieza antes de cada paso de enmascaramiento en la fabricación de filtros de color o transistores de película delgada.

La mayoría de la limpieza de pantallas planas emplea una combinación de métodos físicos y químicos, con un uso selectivo de métodos secos. Después del grabado químico o la limpieza, los sustratos generalmente se secan con alcohol isopropílico. (Ver tabla 1.)

Tabla 1. Limpieza de pantallas planas

* Los solventes orgánicos comunes usados ​​en la limpieza química incluyen: acetona, metanol, etanol, n-propanol, isómeros de xileno, tricloroetileno, tetracloroetileno.

Formación de filtros de color

La formación del filtro de color en el sustrato del vidrio frontal incluye algunos de los pasos de preparación y acabado del vidrio comunes a los paneles frontal y posterior, incluidos los procesos de biselado y lapeado. Las operaciones como modelado, recubrimiento y curado se realizan repetidamente sobre el sustrato. Existen muchos puntos de similitud con el procesamiento de obleas de silicio. Los sustratos de vidrio normalmente se manejan en sistemas de rieles para limpieza y revestimiento.

Patrón de filtro de color

Se utilizan varios materiales y métodos de aplicación para crear filtros de color para varios tipos de pantallas planas. Se puede usar un colorante o un pigmento, y cualquiera de los dos se puede depositar y modelar de varias maneras. En un enfoque, la gelatina se deposita y se tiñe en operaciones fotolitográficas sucesivas, utilizando equipos de impresión de proximidad y fotoprotectores estándar. En otro, se emplean pigmentos dispersos en fotoprotector. Otros métodos para formar filtros de color incluyen la electrodeposición, el grabado y la impresión.

Deposición de ITO

Después de la formación del filtro de color, el paso final es la deposición por pulverización catódica de un material de electrodo transparente. Este es el óxido de indio y estaño (ITO), que en realidad es una mezcla de los óxidos En₂O₃ y SnO₂. Este material es el único adecuado para la aplicación de conductor transparente para LCD. Se requiere una película ITO delgada en ambos lados de la pantalla. Por lo general, las películas de ITO se fabrican mediante evaporación al vacío y pulverización catódica.

Las películas delgadas de ITO son fáciles de grabar con productos químicos húmedos como el ácido clorhídrico, pero, a medida que el paso de los electrodos se hace más pequeño y las características se hacen más finas, puede ser necesario grabar en seco para evitar la socavación de las líneas debido al grabado excesivo.

Formación de transistores de película delgada

La formación de transistores de película delgada es muy similar a la fabricación de un circuito integrado.

Deposición de película delgada

Los sustratos comienzan el proceso de fabricación con un paso de aplicación de película delgada. Las películas delgadas se depositan mediante CVD o deposición física de vapor (PVD). La CVD mejorada con plasma, también conocida como descarga luminiscente, se utiliza para el silicio amorfo, el nitruro de silicio y el dióxido de silicio.

Patrones de dispositivos

Una vez que se ha depositado la película delgada, se aplica una fotoprotección y se forma una imagen para permitir el grabado de la película delgada a las dimensiones apropiadas. Se deposita y graba una secuencia de películas delgadas, como en la fabricación de circuitos integrados.

Aplicación y frotamiento de la película de orientación

Tanto en el sustrato superior como en el inferior, se deposita una fina película de polímero para orientar las moléculas de cristal líquido en la superficie del vidrio. Esta película de orientación, quizás de 0.1 µm de espesor, puede ser una poliimida u otro material polimérico “duro”. Después de la deposición y horneado, se frota con tela en una dirección específica, dejando surcos apenas detectables en la superficie. El frotamiento se puede hacer con un paño de una sola pasada en una correa, alimentada desde un rodillo en un lado, pasando por debajo de un rodillo que hace contacto con el sustrato, hasta un rodillo en el otro lado. El sustrato se mueve debajo de la tela en la misma dirección que la tela. Otros métodos incluyen un cepillo móvil que se mueve por el sustrato. La siesta del material de fricción es importante. Las ranuras sirven para ayudar a las moléculas de cristal líquido a alinearse en la superficie del sustrato y adoptar el ángulo de inclinación adecuado.

La película de orientación se puede depositar mediante recubrimiento por rotación o mediante impresión. El método de impresión es más eficiente en el uso de materiales; Del 70 al 80 % de la poliimida se transfiere del rollo de impresión a la superficie del sustrato.

Asamblea

Una vez que se completa el paso de frotamiento del sustrato, se inicia una secuencia de línea de ensamblaje automatizada que consiste en:

• aplicación de adhesivo (requerido para sellar los paneles)

• aplicación de espaciador

• ubicación y alineación óptica de una placa con respecto a la otra

• (calor o UV) para curar el adhesivo y unir las dos placas de vidrio.

El transporte automatizado de las placas superior e inferior se produce a través de la línea. Una placa recibe el adhesivo y la segunda placa se introduce en la estación de aplicación del espaciador.

Inyección de cristal líquido

En el caso de que se haya construido más de una pantalla sobre el sustrato, las pantallas ahora se separan mediante cortes. En este punto, el material de cristal líquido se puede introducir en el espacio entre los sustratos, haciendo uso de un orificio dejado en el material de sellado. Luego, este orificio de entrada se sella y se prepara para la inspección final. Los materiales de cristal líquido a menudo se entregan como sistemas de dos o tres componentes que se mezclan en la inyección. Los sistemas de inyección proporcionan mezcla y purga de la celda para evitar que queden burbujas atrapadas durante el proceso de llenado.

Inspección y prueba

La inspección y las pruebas funcionales se realizan después del montaje y la inyección de cristal líquido. La mayoría de los defectos están relacionados con partículas (incluidos defectos puntuales y lineales) y problemas de espacios entre celdas.

Accesorio polarizador

El paso final de fabricación de la pantalla de cristal líquido en sí es la aplicación del polarizador en el exterior de cada placa de vidrio. Las películas polarizadoras son películas compuestas que contienen la capa adhesiva sensible a la presión necesaria para unir el polarizador al vidrio. Se aplican mediante máquinas automáticas que dosifican el material a partir de rollos o láminas precortadas. Las máquinas son variantes de etiquetadoras desarrolladas para otras industrias. La película polarizadora está adherida a ambos lados de la pantalla.

En algunos casos, se aplica una película de compensación antes del polarizador. Las películas de compensación son películas de polímero (p. ej., policarbonato y metacrilato de polimetilo) que se estiran en una dirección. Este estiramiento cambia las propiedades ópticas de la película.

Una pantalla completa normalmente tendrá circuitos integrados de controladores montados en o cerca de uno de los sustratos de vidrio, generalmente el lado del transistor de película delgada.

Peligros

La rotura del cristal es un peligro importante en la fabricación de LCD. Pueden ocurrir cortes y laceraciones. La exposición a los productos químicos utilizados para la limpieza es otra preocupación.

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