83. 微電子與半導體
章節編輯: 邁克爾·威廉姆斯
概況
邁克爾·威廉姆斯
矽半導體製造
David G. Baldwin、James R. Rubin 和 Afsaneh Gerami
液晶顯示器
David G. Baldwin、James R. Rubin 和 Afsaneh Gerami
III-V族半導體製造
David G. Baldwin、Afsaneh Gerami 和 James R. Rubin
印刷電路板和計算機組裝
邁克爾·威廉姆斯
健康影響和疾病模式
唐納德訴拉西特
環境和公共衛生問題
軟木嚼
單擊下面的鏈接以在文章上下文中查看表格。
1. 光刻膠系統
2. 光刻膠剝離劑
3. 濕化學蝕刻劑
4. 等離子蝕刻氣體和蝕刻材料
5. 用於擴散的結形成摻雜劑
6. 矽外延的主要分類
7. CVD的主要類別
8. 平板顯示器的清潔
9. PWB 工藝:環境、健康和安全
10 PWB 廢物產生和控制
11 PCB 廢物產生和控制
12 廢物產生與控制
13 優先需求矩陣
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微電子和半導體行業的工藝和產品種類繁多。 本章職業健康與安全討論的重點是半導體集成電路 (IC) 生產(矽基產品和 III-V 價化合物)、印刷線路板 (PWB) 生產、印刷電路板 (PCB)裝配和計算機裝配。
該行業由許多主要部分組成。 電子工業協會在報告有關行業內相關趨勢、銷售和就業的數據時使用以下描述:
電子元件包括電子管(例如接收管、專用管和電視管)、固態產品(例如晶體管、二極管、IC、發光二極管 (LED) 和液晶顯示器 (LCD))以及無源和其他組件(例如,電容器、電阻器、線圈、變壓器和開關)。
消費電子產品包括電視機和其他家用和便攜式影音產品,以及個人電腦、傳真機和電話應答器等信息設備。 電子遊戲硬件和軟件、家庭安全系統、空白音頻和視頻磁帶和軟盤、電子配件和原電池也屬於消費電子產品類別。
除通用和專用計算機外,計算機及其外圍設備還包括輔助存儲設備、輸入/輸出設備(如鍵盤、鼠標、光學掃描設備和打印機)、終端設備等。 雖然電信、國防通信以及工業和醫療電子產品使用一些相同的技術,但這些領域還涉及專用設備。
微電子產業的出現對世界經濟的演進和結構產生了深遠的影響。 世界工業化國家的變革步伐在很大程度上受到該行業的進步影響,特別是集成電路的發展。 這種變化的速度在每個集成電路芯片的晶體管數量的時間線中以圖形方式表示(見圖 1)。
圖 1. 每個集成電路芯片的晶體管
全球半導體銷售的經濟重要性是顯著的。 圖 2 是半導體工業協會對 1993 年至 1998 年全球和地區半導體銷售額的預測。
圖 2. 全球半導體銷售預測
與大多數其他工業類別相比,半導體 IC 和計算機/電子組裝行業在其生產勞動力的相對構成方面是獨一無二的。 半導體製造區域有很高比例的女性操作員在操作工藝設備。 與操作員相關的任務通常不需要舉重物或過多的體力。 此外,許多工作任務涉及精細運動技能和對細節的關注。 男性工人在維護相關任務、工程職能和管理中占主導地位。 在該行業的計算機/電子組裝部分也有類似的構成。 該行業的另一個不同尋常的特點是製造業集中在世界亞太地區。 這在 最終組裝 or 後端 半導體行業的工藝。 此處理涉及將製造的集成電路芯片(技術上稱為管芯)定位和放置在芯片載體和引線框架上。 這種處理需要芯片的精確定位,通常是通過顯微鏡,以及非常精細的運動技能。 同樣,女性工人在這部分過程中占主導地位,全球大部分生產集中在環太平洋地區,其中台灣、馬來西亞、泰國、印度尼西亞和菲律賓高度集中,中國和越南的人數也在增加。
半導體 IC 製造領域具有該行業獨有的各種不同尋常的特性和特徵。 即,IC 處理涉及極其嚴格的顆粒控制方案和要求。 典型的現代 IC 製造區域可能被評為 1 級或更低的潔淨室。 作為比較的方法,室外環境將大於500,000級; 房屋中的一個典型房間大約為 100,000 級; 以及大約10,000級的半導體後端組裝區。 要達到這種顆粒控制水平,實際上需要將製造工人置於完全封閉的環境中 兔子套裝 有空氣供應和過濾系統來控制製造區域工人產生的微粒水平。 製造區域的人員被認為是非常強大的細顆粒物產生者,這些顆粒物來自他們呼出的空氣、脫落的皮膚和頭髮,以及他們的衣服和鞋子。 這種穿著封閉的衣服和隔離工作程序的要求導致員工感覺他們在“不友好”的工作環境中工作。 參見圖 3。此外,在光刻區域,處理過程包括將晶圓暴露在光敏溶液中,然後使用紫外光在晶圓表面形成圖像。 為了減少來自該處理區域的不需要的紫外線 (UV),使用了特殊的黃光(它們缺少室內照明中常見的紫外線波長成分)。 這些黃燈有助於讓員工感覺他們處於不同的工作環境中,並且可能會對某些人產生迷失方向的影響。
圖 3. 最先進的潔淨室
流程概述
矽半導體器件加工的描述,無論是分立器件(僅包含一個有源器件的半導體,例如晶體管)還是 IC(單個半導體基板內的有源和無源元件的互連陣列,能夠執行至少一種電子電路功能) ,涉及許多技術含量高且具體的操作。 本說明的目的是提供一個基本框架,並解釋製造矽半導體器件時使用的主要組件步驟以及相關的環境、健康和安全 (EHS) 問題。
IC 的製造涉及一系列過程,這些過程在電路完成之前可能會重複多次。 最流行的 IC 使用 6 個或更多掩模來完成圖案化過程,通常使用 10 到 24 個掩模。 微電路的製造始於直徑為 4 至 12 英寸的超高純度矽晶片。 完全純的矽幾乎是絕緣體,但某些雜質,稱為 摻雜劑, 添加量從百萬分之十到一百,使矽導電。
集成電路可以由數百萬個由摻雜矽製成的晶體管(還有二極管、電阻器和電容器)組成,所有晶體管都通過適當的導體圖案連接,以創建計算機邏輯、存儲器或其他類型的電路。 一塊晶圓上可以製作數百個微電路。
六個主要的製造工藝步驟對所有矽半導體器件都是通用的:氧化、光刻、蝕刻、摻雜、化學氣相沉積和金屬化。 接下來是組裝、測試、標記、包裝和運輸。
氧化
通常,半導體器件加工的第一步涉及晶圓外表面的氧化,以生長一層薄薄的(約一微米)二氧化矽 (SiO2). 這主要是為了保護表面不受雜質影響,並作為後續擴散過程的掩模。 這種在矽上生長化學穩定的二氧化矽保護晶片的能力使矽晶片成為使用最廣泛的半導體基板。
氧化,通常稱為熱氧化,是在高溫擴散爐中進行的間歇過程。 保護性二氧化矽層生長在含有氧氣(O2)(幹氧化)或氧氣與水蒸氣結合(H2O)(濕法氧化)。 爐內溫度範圍為 800 至 1,300oC. 也可以添加氯化氫 (HCl) 形式的氯化合物,以幫助控制不需要的雜質。
較新的製造設施傾向於使用立式氧化爐。 立式爐更好地滿足了對更好的污染控制、更大的晶圓尺寸和更均勻的處理的需求。 它們允許更小的設備佔地面積,從而節省寶貴的潔淨室佔地面積。
乾式氧化
待氧化的矽晶片首先使用清潔劑和水溶液清洗,然後用二甲苯、異丙醇或其他溶劑沖洗。 清潔後的晶圓被乾燥,裝入稱為 a 的石英晶圓支架中 船 並加載到操作員端(負載端) 的石英擴散爐管或電池。 管的入口端(源端) 供應高純度氧氣或氧氣/氮氣混合物。 “幹”氧氣流被控制進入石英管,並確保有過量的氧氣可用於矽晶片表面上二氧化矽的生長。 基本的化學反應是:
矽+氧2 → 二氧化矽2
濕法氧化
當水為氧化劑時,通常使用四種引入水蒸氣的方法——自燃法、高壓法、鼓泡法和閃蒸法。 基本的化學反應是:
自燃高壓:Si+2O2 + 2小時2 → 二氧化矽2 + 2H2O
閃光和起泡器:Si + 2H2O → 二氧化矽2 + 2H2
自燃氧化 涉及氫氣/氧氣混合物的引入和燃燒。 這樣的系統通常被稱為 燃燒的氫氣 or 火炬 系統。 當在管的入口端引入適量的氫氣和氧氣並使其發生反應時,就會產生水蒸氣。 必須精確控制混合物以保證適當燃燒並防止爆炸性氫氣積聚。
高壓氧化 (HiPox) 在技術上被稱為水熱合成系統,通過超純氫和氧的反應產生水蒸氣。 然後將蒸汽泵入高壓室並加壓至 10 個大氣壓,從而加速濕氧化過程。 去離子水也可用作蒸汽源。
In 起泡器氧化 去離子水被放置在一個稱為 起泡器 並通過使用加熱套將其保持在低於其 100°C 沸點的恆定溫度。 氮氣或氧氣進入鼓泡器的入口側,在水中上升時被水蒸氣飽和,然後通過出口進入擴散爐。 鼓泡系統似乎是最廣泛使用的氧化方法。
In 閃氧化 去離子水不斷滴入石英容器加熱的底面,水一旦碰到熱表面就會迅速蒸發。 氮氣或氧氣載氣流過蒸發的水並將水蒸氣帶入擴散爐。
光刻
光刻,也稱為光刻或簡稱掩模,是一種在氧化晶圓上精確形成圖案的方法。 微電子電路是逐層構建的,每一層都接收來自電路設計中規定的掩模的圖案。
印刷行業發展了當今半導體器件微加工工藝的真正前身。 這些發展涉及印刷板的製造,通常是金屬印刷板,通過化學蝕刻去除材料在其上產生表面浮雕圖案。 這種相同的基本技術用於生產 主面具 用於製造器件的每一層處理。
電路設計人員將每一層的基本電路數字化。 這個計算機化的原理圖允許快速生成掩模電路並促進可能需要的任何更改。 這種技術被稱為計算機輔助設計 (CAD)。 利用強大的計算機算法,這些在線設計系統允許設計人員直接在具有交互式圖形功能的視頻顯示屏上佈置和修改電路。
每層電路的最終繪圖或掩模由計算機驅動的光繪機或圖案生成器創建。 然後將這些光繪圖紙縮小到電路的實際尺寸,在玻璃上製作帶有鉻浮雕的主掩模,並在工作板上複製,用於在晶圓上進行接觸或投影印刷。
這些掩模描繪了通過光刻轉移到晶圓上的導電和絕緣區域的圖案。 大多數公司不生產自己的口罩,而是使用口罩生產商提供的口罩。
清潔
對無顆粒和無污染的外部晶圓表面的需求需要經常清潔。 主要類別有:
抵制申請
晶圓塗有溶劑型聚合物的抗蝕劑材料,並在 微調, 它傳播了一個薄的均勻層。 然後溶劑蒸發,留下聚合物膜。 所有抗蝕劑材料都取決於(主要是紫外線)輻射引起的合成有機聚合物在選定的顯影液中溶解度的變化。 抗蝕劑材料分為負性或正性抗蝕劑,這取決於暴露於輻射後在顯影劑中的溶解度是降低(負)還是增加(正)。 表 1 確定了各種光刻膠系統的組成成分。
表 1. 光刻膠系統
紫外線 |
|||
近 (350–450 納米) |
負 |
PB |
疊氮基脂肪族橡膠(異戊二烯) |
積極 |
PB |
鄰重氮酮 |
|
深 (200–250 納米) |
主要是 |
||
電子束(約 100 nm) |
|||
負 |
PB |
共聚物-丙烯酸乙酯和甲基丙烯酸縮水甘油酯 (COP) |
|
積極 |
PB |
聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸氟烷基酯、聚烷基醛、聚氰基丙烯酸乙酯 |
|
X 射線 (0.5–5 納米) |
|||
負 |
PB |
共聚物-丙烯酸乙酯和甲基丙烯酸縮水甘油酯 (COP) |
|
積極 |
PB |
聚甲基丙烯酸甲酯、鄰重氮酮、聚 |
PB = 聚合物基; S = 溶劑; D = 開發人員。
由於大多數光刻膠對紫外線 (UV) 光敏感,因此加工區域使用缺乏敏感紫外線波長的特殊黃光照明(見圖 1)。
圖 1. 光刻“黃室”設備
負性和正性紫外線抗蝕劑主要用於該行業。 然而,電子束和 X 射線抗蝕劑由於分辨率更高而正在獲得市場份額。 光刻中的健康問題主要是由與選定的正抗蝕劑(例如,乙二醇單乙醚乙酸酯作為載體)相關的潛在生殖危害引起的,這些抗蝕劑目前正在被行業淘汰。 負性抗蝕劑(例如二甲苯)偶爾發出的氣味也會引起員工的擔憂。 由於這些擔憂,半導體行業的工業衛生學家花費了大量時間對光刻膠操作進行採樣。 雖然這有助於表徵這些操作,但在旋轉器和顯影器操作期間的常規暴露通常低於工藝中使用的溶劑的職業暴露空氣傳播標準的 5%(Scarpace 等人,1989 年)。
在旋轉器系統的操作過程中,發現暴露於濃度為 1 ppm 的乙二醇單乙醚乙酸酯 6.3 小時。 這種暴露主要是由於維護操作期間的不良工作實踐造成的(Baldwin、Rubin 和 Horowitz 1993)。
乾燥和預烘烤
塗上抗蝕劑後,晶片在軌道上移動或手動從旋轉器移動到具有氮氣氣氛的溫控烘箱中。 適中的溫度(70 至 90°C)會導致光刻膠固化(軟烘烤)並使剩餘的溶劑蒸發。
為確保抗蝕劑層與晶圓的粘附性,將底漆六甲基二矽烷 (HMDS) 應用於晶圓。 底漆結合晶圓表面的分子水。 HMDS 可以直接應用於浸漬或旋塗工藝,也可以通過蒸汽灌裝應用,與其他方法相比具有工藝和成本優勢。
掩模對準和曝光
使用精密的光學/機械設備將掩模和晶圓靠在一起,並將掩模上的圖像與光刻膠層下方晶圓中已經存在的任何圖案對齊。 對於第一個掩碼,不需要對齊。 在較舊的技術中,通過使用雙鏡(雙透鏡顯微鏡)和精確控制相對於掩模定位晶圓,可以實現連續層的對齊。 在較新的技術中,對齊是使用晶圓上的參考點自動完成的。
對準完成後,高強度紫外線汞蒸氣或弧光燈源會透過掩模照射,在掩模不透明區域未保護的地方曝光抗蝕劑。
晶圓對準和曝光的各種方法包括 UV 泛光曝光(接觸或接近)、通過投影透鏡進行還原(投影)的 UV 曝光、UV 步進和重複還原曝光(投影)、X 射線泛光(接近)和電子束掃描曝光(直寫)。 使用的主要方法包括通過接近或投影對準器從汞蒸氣和弧光燈中進行紫外線照射。 UV 抗蝕劑要么被設計為對廣譜 UV 波長起反應,要么被配製為優先對燈發出的一條或多條主要光譜線(例如,435 nm 的 g 線,405 nm 的 h 線)起反應365 nm 和 XNUMX nm 處的 i 線)。
目前用於光掩模的主要波長為 365 nm 或以上,但 UV 燈光譜在健康關注的波長區域(低於 315 nm 的光化區域)中也包含大量能量。 通常,從設備逸出的紫外線輻射強度低於光化區陽光下的強度和為職業性紫外線照射設定的標準。
偶爾在維護過程中,紫外線燈的對準需要在設備櫃外或沒有正常的保護過濾器的情況下通電。 此操作期間的暴露水平可能超過職業暴露限制,但標準潔淨室服裝(例如工作服、乙烯基手套、面罩和帶紫外線抑製劑的聚碳酸酯安全眼鏡)通常足以將紫外線衰減到暴露限制以下(Baldwin 和 Stewart,1989 年) ).
雖然光刻中使用的紫外線燈的主要波長為 365 nm 或以上,但對高級 IC 中更小特徵的追求導致使用波長更短的曝光源,例如深紫外線和 x 射線。 用於此目的的一項新技術是在步進器中使用氪氟化物準分子激光器。 這些步進器使用具有高激光功率輸出的 248 nm 波長。 然而,這些系統的外殼在正常操作期間會包含光束。
與半導體製造中使用的包含高功率激光系統的其他設備一樣,主要關注的是在光束對準期間何時必須打破系統的互鎖。 高功率激光器也是半導體行業中最重要的電氣危害之一。 即使在電源關閉後,工具內仍存在很大的電擊可能性。 Escher、Weathers 和 Labonville (1993) 介紹了這些系統的控制和安全設計注意事項。
光刻中使用的一種先進技術曝光源是 X 射線。 X 射線光刻源的輻射水平可能導致設備中心每年的劑量率接近 50 毫西弗 (5 rems)。 建議限制進入屏蔽牆內的區域以盡量減少暴露(Rooney 和 Leavey 1989)。
發展
在顯影步驟中,抗蝕劑的未聚合區域被溶解並去除。 溶劑型顯影劑通過浸漬、噴塗或霧化的方式應用於覆蓋有抗蝕劑的晶圓表面。 表 1 中列出了顯影劑溶液。溶劑沖洗 (n-乙酸丁酯、異丙醇、丙酮等)通常在顯影劑之後使用,以去除任何殘留物質。 顯影后殘留的抗蝕劑在後續處理過程中保護各個層。
烘焙
在對準、曝光和顯影抗蝕劑之後,晶圓然後移動到另一個具有氮氣氣氛的溫控烘箱。 高溫烘箱(120 至 135°C)使光刻膠固化並在晶圓表面完全聚合(硬烘烤)。
光刻膠剝離
然後使用濕法或乾法化學品選擇性地蝕刻顯影的晶圓(參見下面的“蝕刻”)。 在進一步處理之前,必須從晶圓上剝離剩餘的光刻膠。 這可以通過在溫控浴中使用濕化學溶液或通過使用等離子灰化器或乾化學物質來完成。 表 2 列出了濕化學成分和乾化學成分。 下面討論乾化學等離子蝕刻——使用與等離子灰化相同的設備和操作原理。
表 2. 光刻膠剝離劑
濕潤化學
酸
硫酸(H2SO4) 和鉻 (CrO3)
硫酸(H2SO4) 和過硫酸銨 ((NH4)2S2O8)
硫酸(H2SO4) 和過氧化氫 (H2O2)
有機物
酚類、硫酸、三氯苯、全氯乙烯
乙二醇醚、乙醇胺、三乙醇胺
氫氧化鈉和矽酸鹽(正性抗蝕劑)
化學乾粉
等離子灰化(剝離)
RF(射頻)電源—13.56 MHz 或 2,450 MHz 頻率
氧氣(O.2) 氣源
真空泵系統
—用液氮捕集器潤滑的油(舊技術)
—用惰性全氟聚醚液體潤滑(新技術)
—乾式泵(最新技術)
刻蝕
蝕刻去除二氧化矽層(SiO2)、金屬和多晶矽,以及抗蝕劑,根據抗蝕劑描繪的所需圖案。 蝕刻的兩大類是濕化學法和乾法化學法。 主要使用濕法蝕刻,涉及含有所需強度的蝕刻劑(通常是酸性混合物)的溶液,該溶液與要去除的材料發生反應。 干法蝕刻涉及在高度通電的腔室中在真空下使用反應氣體,這也會去除未受抗蝕劑保護的所需層。
濕潤化學
濕化學蝕刻溶液裝在由聚丙烯 (poly-pro)、阻燃聚丙烯 (FRPP) 或聚氯乙烯 (PVC) 製成的溫控蝕刻槽中。 浴槽通常在濕化學蝕刻站的後部配備環形增壓排氣通風裝置或開槽排氣裝置。 垂直層流罩向蝕刻槽的頂面提供均勻過濾的無顆粒空氣。 與被蝕刻的表面層相關的常見濕蝕刻劑化學溶液如表 3 所示。
表 3. 濕化學蝕刻劑
蝕刻材料 |
蝕刻劑 |
|
矽 |
||
多晶矽 (Si) |
氫氟酸、硝酸、乙酸和碘 |
|
二氧化矽(SiO2) |
緩衝氧化物蝕刻 (BOE) - 氫氟酸和 |
|
氮化矽(Si3N4) |
磷酸和氫氟酸 |
|
CVD 氧化物或墊蝕刻 |
氟化銨、乙酸和氫氟酸 |
|
金屬 |
||
鋁 (Al) |
磷酸、硝酸、乙酸和鹽酸 |
|
鉻鎳合金 (Cr/Ni) |
硝酸高鈰銨和硝酸 |
|
金(金) |
鹽酸和硝酸(王水) |
|
銀 (Ag) |
硝酸鐵(FeNO3) 和乙二醇 |
|
複合 |
公式 |
標準濃度(%) |
醋酸 |
CH3COOH |
36 |
氟化銨 |
NH4F |
40 |
冰醋酸 |
CH3COOH |
99.5 |
鹽酸 |
鹽酸 |
36 |
氫氟酸 |
HF |
49 |
硝酸 |
HNO3 |
67 |
磷酸 |
H3PO4 |
85 |
氫氧化鉀 |
酸值 |
50或10 |
氫氧化鈉 |
氫氧化鈉 |
50或10 |
硫酸 |
H2SO4 |
96 |
垂直安裝的氣流供應罩與防濺罩和排氣通風裝置一起使用時,會在濕化學蝕刻站內產生空氣湍流區域。 結果,可能會降低局部排氣通風在捕獲和引導來自使用中的蝕刻浴的逸出空氣污染物方面的有效性。
濕蝕刻的主要問題是皮膚接觸濃酸的可能性。 雖然蝕刻中使用的所有酸都會導致酸灼傷,但暴露於氫氟酸 (HF) 尤其令人擔憂。 皮膚接觸和疼痛之間的滯後時間(小於 24% HF 的溶液長達 20 小時,1% 至 8% 的溶液長達 20 至 50 小時)可能導致治療延遲和比預期更嚴重的燒傷(Hathaway 等人,1991 年) .
從歷史上看,酸灼傷一直是該行業內的一個特殊問題。 然而,近年來皮膚接觸酸的發生率有所降低。 這種減少的部分原因是蝕刻工藝中與產品相關的改進,例如轉向干法蝕刻、更多機器人技術的使用以及化學分配系統的安裝。 酸灼傷率的降低也可能歸因於更好的處理技術、更多地使用個人防護設備、更好的濕式甲板設計和更好的培訓——如果要進一步降低酸灼傷率,所有這些都需要持續關注(鮑德溫和威廉姆斯,1996 年) ).
化學乾粉
乾化學蝕刻由於能夠更好地控制蝕刻過程和降低污染水平而成為越來越受關注和使用的領域。 乾化學處理通過使用化學反應氣體或通過物理轟擊有效地蝕刻所需的層。
化學反應等離子體蝕刻系統已經開發出來,可以有效地蝕刻矽、二氧化矽、氮化矽、鋁、鉭、鉭化合物、鉻、鎢、金和玻璃。 有兩種等離子蝕刻反應器系統在使用——桶形或圓柱形,以及平行板形或平面形。 兩者的運行原理相同,主要僅在配置上有所不同。
等離子體類似於氣體,不同之處在於等離子體的一些原子或分子被電離並且可能包含大量的自由基。 典型的反應器由一個裝有晶圓的真空反應器室組成,晶圓通常由鋁、玻璃或石英製成; 射頻 (RF) 能源——通常為 450 kHz、13.56 MHz 或 40.5 MHz,以及控制處理時間、反應氣體成分、氣體流速和射頻功率水平的控制模塊。 此外,油潤滑(較舊技術)或乾式(較新技術)粗真空泵真空源與反應室對齊。 將晶圓單獨或裝入盒中裝入反應器,泵抽空腔室並引入反應氣體(通常為四氟化碳)。 氣體的電離形成蝕刻等離子體,它與晶片反應形成揮發性產物,這些產物被抽走。 將新鮮的反應物氣體引入腔室可維持蝕刻活性。 表 4 列出了用於蝕刻各層的材料和等離子氣體。
表 4. 等離子蝕刻氣體和蝕刻材料
材料 |
煤氣 |
矽 |
|
多晶矽(polySi)和矽 |
CF+O2, 四氯化碳4 或CF3氯氟烴4 和鹽酸 |
二氧化矽(SiO2) |
C2F6,C3F8, 碳纖維4, 碳化矽4,C5F12, 瑞士法郎3, 四氯化碳2F2, SF6, 高頻 |
氮化矽(Si3N4) |
CF4 + 氬氣、氟化碳4 + 哦2, 碳纖維4 + H.2 |
金屬 |
|
鋁 (Al) |
四氯化碳4 或氯化鉀3 + 他或氬 |
鉻(Cr) |
四氯化碳4 |
氧化鉻(CrO3) |
Cl2 + Ar 或 CCl4 + 氬氣 |
砷化鎵 (GaAs) |
四氯化碳2F2 |
釩(V) |
CF4 |
鈦 (Ti) |
CF4 |
鉭 (Ta) |
CF4 |
鉬(Mo) |
CF4 |
鎢 (W) |
CF4 |
目前正在開發的另一種蝕刻方法是微波下游。 它使用高功率密度微波放電產生具有長壽命的亞穩態原子,蝕刻材料幾乎就像浸入酸中一樣。
物理蝕刻工藝類似於噴砂,因為氬氣原子用於物理轟擊要蝕刻的層。 真空泵系統用於去除錯位的材料。 反應離子蝕刻涉及化學和物理干法蝕刻的組合。
濺射過程是離子撞擊和能量轉移的過程之一。 濺射蝕刻結合了濺射系統,其中將要蝕刻的晶片連接到輝光放電電路中的負電極或目標。 通過正離子(通常是氬)的轟擊,材料從晶圓上濺射出來,並導致表面原子錯位。 電源由頻率為 450 kHz 的射頻源提供。 在線真空系統用於壓力控制和反應物去除。
離子束蝕刻和銑削是一種使用低能離子束的溫和蝕刻工藝。 離子束系統包括一個產生離子束的源、一個在其中進行蝕刻或銑削的工作室、一個用於將晶圓固定在離子束中的靶板固定裝置、一個真空泵系統、支持電子設備和儀器。 離子束是從放電產生的電離氣體(氬氣或氬氣/氧氣)或等離子體中提取的。 放電是通過在發射電子的熱絲陰極和位於放電區域外徑的陽極圓柱之間施加電壓而獲得的。
離子束銑削是在離子轟擊的低能量範圍內進行的,其中僅發生表面相互作用。 這些離子通常在 500 至 1,000 eV 範圍內,撞擊目標並 濺射 通過破壞將原子與其相鄰原子結合的力來破壞表面原子。 離子束蝕刻是在稍高的能量範圍內完成的,這涉及到更顯著的表面原子錯位。
反應離子蝕刻 (RIE) 是物理濺射和低壓化學反應物質蝕刻的組合。 RIE 使用離子轟擊實現定向蝕刻,同時使用化學反應氣體四氟化碳 (CF4) 或四氯化碳 (CCl4), 以保持良好的蝕刻層選擇性。 晶片被放置在一個腔室中,腔室中充滿化學反應性氣體化合物,壓力約為 0.1 托(1.3 x 10 - 4 氣氛)。 放電會產生能量為幾百電子伏特的反應性“自由基”(離子)等離子體。 離子垂直撞擊晶圓表面,在那裡它們反應形成揮發性物質,這些物質被低壓在線真空系統去除。
乾式蝕刻機有時有一個清潔循環,用於去除反應室內部積聚的沉積物。 用於清潔循環等離子體的母體化合物包括三氟化氮 (NF3), 六氟乙烷 (C2F6) 和八氟丙烷 (C3F8).
清潔過程中使用的這三種氣體,以及蝕刻過程中使用的許多氣體,是 1990 世紀 XNUMX 年代中期出現的半導體行業面臨的環境問題的基石。 一些高度氟化氣體被確定為具有顯著的全球變暖(或溫室效應)潛力。 (這些氣體也稱為 PFC,全氟化合物。)大氣壽命長、全球變暖潛能值高以及 NF 等 PFC 使用量顯著增加3,C2F6,C3F8, 碳纖維4, 三氟甲烷 (CHF3) 和六氟化硫 (SF6) 讓半導體行業專注於減少排放的方法。
半導體行業向大氣排放 PFC 的原因是工具效率低下(許多工具僅消耗所用氣體的 10% 到 40%)和減少空氣排放的設備不足。 濕式洗滌器無法有效去除 PFC,對許多燃燒裝置的測試發現某些氣體的破壞效率很低,尤其是 CF4. 許多這些燃燒裝置發生故障 C2F6 和C.3F8 進入CF4. 此外,這些減排工具的高擁有成本、它們的電力需求、它們釋放的其他全球變暖氣體及其有害空氣污染物的燃燒副產品表明燃燒減排不是控制 PFC 排放的合適方法。
提高工藝工具的效率、確定和開發對這些幹蝕刻氣體更環保的替代品以及廢氣的回收/再循環一直是與乾蝕刻相關的環境重點。
乾式蝕刻機的主要職業衛生重點一直是維護人員在反應室、泵和其他可能含有反應產物殘留物的相關設備上工作時的潛在接觸。 等離子金屬蝕刻機的複雜性和表徵與其維護相關的氣味的困難使它們成為許多研究的主題。
在等離子金屬蝕刻機中形成的反應產物是氯化和氟化化合物的複雜混合物。 金屬蝕刻機的維護通常涉及會產生強烈氣味的短期操作。 六氯乙烷被發現是一種鋁蝕刻機產生氣味的主要原因(Helb 等人,1983 年)。 另一方面,氯化氰是主要問題:暴露水平是 11 ppm 職業暴露限值的 0.3 倍(Baldwin 1985)。 在其他類型的蝕刻機中,氯化氫與氣味有關; 測得的最大暴露量為 68 ppm(Baldwin、Rubin 和 Horowitz 1993)。 有關該主題的更多信息,請參閱 Mueller 和 Kunesh (1989)。
金屬蝕刻機廢氣中化學成分的複雜性促使研究人員開發了研究這些混合物毒性的實驗方法(Bauer et al. 1992a)。 這些方法在囓齒動物研究中的應用表明,這些化學混合物中的某些可能是誘變劑(Bauer 等人,1992 年 b)和可疑的生殖毒素(Schmidt 等人,1995 年)。
由於乾式蝕刻機作為封閉系統運行,因此在系統封閉時通常不會發生設備操作員接觸化學品的情況。 一個罕見的例外是舊批量蝕刻機的吹掃週期不夠長,無法充分去除蝕刻劑氣體。 據報導,當這些蝕刻機的門打開時,會短暫但刺激性地接觸低於典型工業衛生監測程序檢測限的氟化合物。 通常這可以通過在打開蝕刻室門之前簡單地增加吹掃週期的長度來糾正。
操作員暴露於 RF 能量的主要問題來自等離子蝕刻和灰化過程(Cohen 1986;Jones 1988)。 通常,射頻能量洩漏可能由以下原因引起:
射頻暴露也可能發生在蝕刻機的維護過程中,尤其是在設備櫃已被拆除的情況下。 曝光量為 12.9 mW/cm2 在舊型號等離子蝕刻機的頂部發現,蓋子已拆下進行維護(Horowitz 1992)。 操作員所在區域的實際射頻輻射洩漏通常小於 4.9 mW/cm2.
興奮劑
之間的電結或邊界的形成 p n 單晶矽晶片中的區域是所有半導體器件運行的基本要素。 結允許電流在一個方向上比在另一個方向上更容易流動。 它們為所有半導體中的二極管和晶體管效應提供了基礎。 在集成電路中,必須將一定數量的元素雜質或摻雜劑引入到矽基板或晶片的選定蝕刻區域中。 這可以通過擴散或離子注入技術來完成。 無論使用何種技術,相同類型或摻雜劑都用於生產半導體結。 表 5 標識了用於摻雜的主要成分、它們的物理狀態、電氣類型(p or n) 和使用的主要結技術——擴散或離子注入。
表 5. 用於擴散和離子注入的結形成摻雜劑
元件 |
複合 |
公式 |
州 |
技術 |
n型 |
||||
銻 |
三氧化二銻 |
Sb2O3 |
素色 |
擴散 |
砷 |
三氧化二砷 |
As2O3 |
素色 |
擴散 |
磷 |
五氧化二磷 |
P2O5 |
素色 |
擴散 |
p型 |
||||
硼 |
氮化硼 |
BN |
素色 |
擴散 |
擴散爐和離子注入機操作員的常規化學品暴露量很低——通常低於標準職業衛生取樣程序的檢測限。 該過程的化學問題集中在有毒氣體釋放的可能性上。
早在 1970 世紀 XNUMX 年代,先進的半導體製造商就開始安裝第一個用於易燃和有毒氣體的連續氣體監測系統。 該監測的主要重點是檢測氣味閾值超過其職業接觸限值(例如胂和乙硼烷)的毒性最強的摻雜劑氣體的意外釋放。
大多數半導體行業的工業衛生空氣監測器用於可燃和有毒氣體洩漏檢測。 然而,一些設施也在使用連續監測系統來:
半導體行業最常用於此類監測的技術是比色氣體檢測(例如,MDA 連續氣體檢測器)、電化學傳感器(例如,sensydyne 監測器)和傅里葉變換紅外(例如,Telos ACM)(Baldwin 和 Williams 1996) .
擴散
擴散 是一個術語,用於描述摻雜劑從擴散爐源端的高濃度區域向矽晶片內較低濃度區域的移動。 擴散是最成熟的結形成方法。
該技術涉及使晶片經受擴散爐內的加熱氣氛。 熔爐包含所需的蒸氣形式的摻雜劑,並導致產生摻雜電活動區域,或者 p or n. 最常用的摻雜劑是 p 型的硼; n 型的磷 (P)、砷 (As) 或銻 (Sb)(見表 5)。
通常,晶圓堆疊在石英載體或舟皿中,然後放置在擴散爐中。 擴散爐包含一個長石英管和一個精確的溫度控制機構。 溫度控制極其重要,因為各種矽摻雜劑的擴散速率主要是溫度的函數。 使用溫度範圍為 900 至 1,300 oC,取決於具體的摻雜劑和工藝。
將矽晶片加熱到高溫使雜質原子通過晶體結構緩慢擴散。 雜質通過二氧化矽的速度比通過矽本身的速度慢,從而使薄氧化物成為可能 圖案用作掩模,從而允許摻雜劑僅在未受保護的地方進入矽。 在積累了足夠多的雜質後,將晶圓從爐子中取出,擴散就有效地停止了。
為了最大限度地控制,大多數擴散分兩步進行——預沉積 駛入. 預沉積或恆定源擴散是第一步,它發生在爐子中,爐子中的溫度經過選擇以實現對雜質數量的最佳控制。 溫度決定了摻雜劑的溶解度。 經過相對較短的預沉積處理後,晶圓被物理移動到通常溫度較高的第二個爐子中,在那裡進行第二個熱處理以驅動摻雜劑在矽晶圓晶格中達到所需的擴散深度。
預沉積步驟中使用的摻雜源處於三種不同的化學狀態:氣態、液態和固態。 表 5 確定了各種類型的擴散源摻雜劑及其物理狀態。
氣體通常由帶有壓力控製或調節器、截止閥和各種吹掃附件的壓縮氣瓶供應,並通過小直徑金屬管分配。
液體通常從鼓泡器分配,鼓泡器使載氣流(通常是氮氣)充滿液體摻雜劑蒸汽,如濕法氧化部分所述。 液體分配的另一種形式是通過使用 上旋 摻雜物 儀器。 這需要將固體摻雜劑放入含有液體溶劑載體的溶液中,然後將溶液滴在晶圓上並旋轉,其方式類似於光刻膠的應用。
固體源可以是氮化硼晶片的形狀,夾在兩個待摻雜的矽晶片之間,然後放入擴散爐中。 此外,粉末或珠子形式的固體摻雜劑可以放置在 石英彈 外殼(三氧化二砷),手動傾倒在擴散管的源端或裝入與主擴散爐一致的單獨源爐中。
在沒有適當控制的情況下,砷暴露在 0.01 毫克/立方米以上3 在清潔沉積爐(Wade 等人 1981 年)和清潔固體源離子注入機的源室期間(McCarthy 1985 年;Baldwin、King 和 Scarpace 1988 年)有報導。 這些暴露發生在沒有採取任何預防措施來限制空氣中的灰塵量的情況下。 然而,當殘留物在清潔過程中保持濕潤時,接觸量會減少到遠低於空氣接觸極限。
在較舊的擴散技術中,在爐管的拆卸、清潔和安裝過程中存在安全隱患。 危害包括在手動清潔過程中破碎的石英器皿可能造成的割傷和酸灼傷。 在較新的技術中,這些危害被減少了 現場 管道清潔,消除了大部分人工操作。
在半導體製造中,擴散爐操作員在極低頻電磁場(例如 50 至 60 赫茲)中經歷了最高的常規潔淨室暴露。 據報導,在熔爐的實際運行過程中,平均暴露量大於 0.5 微特斯拉(5 毫高斯)(Crawford 等人,1993 年)。 該研究還指出,在擴散爐附近工作的潔淨室人員的平均測量暴露量明顯高於其他潔淨室工作人員。 這一發現與 Rosenthal 和 Abdollahzadeh(1991 年)報告的點測量結果一致,他們發現擴散爐產生的接近讀數(5 厘米或 2 英寸以外)高達 10 到 15 微特斯拉,周圍場隨距離逐漸下降比研究的其他潔淨室設備; 即使距離擴散爐 6 英尺,報告的通量密度也為 1.2 至 2 微特斯拉(Crawford 等人,1993 年)。 這些排放水平遠低於世界衛生組織和各個國家設定的當前基於健康的暴露限值。
離子注入
離子注入是在室溫下將雜質元素引入矽晶片以形成結的較新方法。 離子化的摻雜劑原子(即,剝離了一個或多個電子的原子)通過數万伏特的電勢差被加速到高能量。 在路徑的盡頭,它們撞擊晶圓並嵌入不同的深度,具體取決於它們的質量和能量。 與傳統的擴散一樣,圖案化的氧化物層或光刻膠圖案選擇性地掩蔽晶圓免受離子影響。
典型的離子注入系統包括離子源(氣態摻雜劑源,通常裝在小演講瓶中)、分析設備、加速器、聚焦透鏡、中性束阱、掃描儀處理室和真空系統(通常是三組獨立的在線粗加工和油擴散泵)。 電子流由熱燈絲通過電阻、電弧放電或冷陰極電子束產生。
通常,在註入晶圓後,通過激光束退火或使用電子束源的脈衝退火執行高溫退火步驟(900 至 1,000°C)。 退火工藝有助於修復由摻雜離子轟擊造成的注入晶圓外表面的損傷。
隨著用於離子注入機的胂、磷化氫和三氟化硼氣瓶的安全輸送系統的出現,這些氣體發生災難性釋放的可能性已大大降低。 這些小氣瓶中充滿了一種化合物,砷化氫、磷化氫和三氟化硼會吸附在該化合物中。 氣體通過使用真空從鋼瓶中抽出。
離子注入機是半導體行業中最重要的電氣危害之一。 即使在電源關閉後,工具內仍存在巨大的電擊電位,必須在植入機內部工作之前將其消散。 對於所有新安裝的設備,尤其是離子注入機,必須仔細檢查維護操作和電氣危險。
在離子注入機低溫泵維護期間,已經發現暴露於高達 60 ppb 的氫化物(可能是胂和磷化氫的混合物)(Baldwin、Rubin 和 Horowitz 1993)。 此外,高濃度的砷化氫和磷化氫會從受污染的植入器部件中排出氣體,這些部件在預防性維護期間被移除(Flipp、Hunsaker 和 Herring,1992 年)。
帶有高效微粒衰減器 (HEPA) 過濾器的便攜式真空吸塵器用於清潔離子注入區域中被砷污染的工作表面。 暴露在 1,000 微克/立方米以上3 當 HEPA 吸塵器清潔不當時進行測量。 HEPA 真空吸塵器在向工作空間排放氣體時,還可以有效散發與離子注入機束線清潔相關的獨特的氫化物氣味(Baldwin、Rubin 和 Horowitz 1993)。
雖然令人擔憂,但還沒有關於在使用摻雜劑的真空泵換油期間大量摻雜劑氣體暴露的公開報告——可能是因為這通常是作為一個封閉系統進行的。 缺乏報告的暴露也可能是由於使用過的油中氫化物的低排放量造成的。
一項現場研究的結果顯示,當泵油超過 700 ℃時,對來自同時使用胂和磷化氫的離子注入機的 70 毫升用過的低級泵油進行加熱,結果顯示泵頂部空間中僅可檢測到空氣中的氫化物濃度。oC(Baldwin、King 和 Scarpace 1988)。 由於機械低真空泵的正常工作溫度為 60 至 80oC,這項研究沒有表明顯著暴露的可能性。
在離子注入過程中,伴隨著操作形成了 x 射線。 大多數注入機都設計有足夠的機櫃屏蔽(包括戰略性地放置在離子源外殼和相鄰檢修門周圍的鉛板),以將員工暴露在每小時 2.5 微西弗(0.25 毫雷姆)以下(Maletskos 和 Hanley 1983)。 然而,發現較舊型號的注入機在裝置表面的 X 射線洩漏超過每小時 20 微西弗 (μSv/hr)(Baldwin、King 和 Scarpace 1988)。 安裝額外的鉛屏蔽後,這些水平降低到低於 2.5 μSv/hr。 另一種較舊型號的離子注入機被發現在檢修門周圍(高達 15 μSv/hr)和觀察口(高達 3 μSv/hr)存在 X 射線洩漏。 添加了額外的鉛屏蔽以減弱可能的暴露(Baldwin、Rubin 和 Horowitz 1993)。
除了來自離子注入機的 X 射線曝光之外,如果注入機在 8 萬電子伏特 (MeV) 以上運行或使用氘氣作為離子源,則假設有可能形成中子 (Rogers 1994)。 然而,注入機通常設計為在遠低於 8 MeV 的條件下運行,工業中並不常用氘(Baldwin 和 Williams 1996)。
化學氣相沉積
化學氣相沉積 (CVD) 涉及在矽晶片表面上分層附加材料。 CVD 裝置通常作為封閉系統運行,導致操作員很少或沒有化學品接觸。 然而,當清潔某些 CVD 預洗滌器時,可能會發生短暫的高於 5 ppm 的氯化氫暴露(Baldwin 和 Stewart 1989)。 通常使用兩大類沉積——外延和更一般的非外延 CVD。
外延化學氣相沉積
外延生長是一種材料的單晶薄膜的嚴格控制沉積,該材料保持與現有襯底晶片層相同的晶體結構。 它在隨後的擴散過程中用作製造半導體元件的基質。 大多數外延膜生長在相同材料的襯底上,例如矽上矽,其過程稱為同質外延。 在襯底上生長不同材料層,例如藍寶石上的矽,稱為異質外延 IC 器件處理。
三種主要技術用於生長外延層:氣相、液相和分子束。 液相和分子束外延主要用於 III-V 族(例如 GaAs)器件的加工。 這些在“III-V 半導體製造”一文中進行了討論。
氣相外延用於通過分子 CVD 在 900 至 1,300 的溫度下生長薄膜oC. 載氣(通常是氫氣)中含有矽和控制量的 p 型或 n 型摻雜劑的蒸氣通過加熱的晶片以沉積摻雜的矽層。 該過程通常在大氣壓下進行。
表 6 確定了氣相外延的四種主要類型、參數和發生的化學反應。
表 6. 矽氣相外延的主要類別
參數 |
||
壓力 |
大氣的 |
|
溫度 |
900–1300°C |
|
矽源 |
矽烷(SiH4), 四氯化矽 (SiCl4), 三氯矽烷 (SiHCl3), |
|
摻雜氣體 |
胂 (AsH3), 磷化氫 (PH3), 乙硼烷 (B2H6) |
|
摻雜氣體濃度 |
約100ppm |
|
蝕刻氣體 |
氯化氫 (HCl) |
|
蝕刻氣體濃度 |
約 1–4% |
|
載氣 |
氫(H2), 氮 (N2) |
|
加熱源 |
射頻 (RF) 或紅外線 (IR) |
|
氣相外延類型 |
化學反應 |
|
四氯化矽氫還原 |
氯化矽4 + 2H2 → Si + 4HCl |
|
矽烷的熱解 |
的SiH4 → Si + 2H2 |
|
三氯氫矽的氫氣還原 |
氯化矽3 + H.2 → Si + 3HCl |
|
減少二氯矽烷 |
的SiH2Cl2 → Si + 2HCl |
外延工藝中通常遵循的沉積順序包括:
非外延化學氣相沉積
外延生長是一種高度特殊的 CVD 形式,其中沉積層具有與襯底層相同的晶體結構取向,而非外延 CVD 是通過氣態化合物的熱反應或分解在加熱的襯底上形成穩定的化合物。
CVD 可用於沉積許多材料,但在矽半導體加工中,除了外延矽外,通常會遇到的材料有:
這些材料中的每一種都可以以多種方式沉積,並且每一種都有許多應用。
表 7. 矽化學氣相沉積 (CVD) 的主要類別
參數 |
||||
壓力 |
大氣 (APCVD) 或低壓 (LPCVD) |
|||
溫度 |
500–1,100°C |
|||
矽和氮化物源 |
矽烷(SiH4), 四氯化矽 (SiCl4), 氨 (NH3), 一氧化二氮 (N20) |
|||
摻雜源 |
胂 (AsH3), 磷化氫 (PH3), 乙硼烷 (B2H6) |
|||
載氣 |
氮(N2), 氫 (H2) |
|||
加熱源 |
冷壁系統——射頻 (RF) 或紅外線 (IR) |
|||
化學氣相沉積型 |
反應 |
載氣 |
溫度 |
|
介質溫度 (≈ 600–1,100 °C) |
||||
氮化矽(Si3N4) |
3矽氫4 + 4 氨3 → 矽3N4 + 12H2 |
H2 |
900–1,100°C |
|
多晶矽(poly Si) |
的SiH4 + 熱 → Si + 2H2 |
H2 |
850–1,000°C |
|
二氧化矽(SiO2) |
的SiH4 + 4CO2 → 二氧化矽2 + 4CO + 2H2O |
N2 |
500–900°C |
|
低溫 (≈<600 C) Silox、Pyrox、Vapox 和 Nitrox** |
||||
二氧化矽(SiO2) 或 p 摻雜的 SiO2 |
||||
矽氧烷 |
的SiH4 + 2O2 + 摻雜物 → SiO2 + 2H2O |
N2 |
200-500 °C |
|
派羅克斯 |
的SiH4 + 2O2 + 摻雜物 → SiO2 + 2H2O |
N2 |
<600°C |
|
瓦波克斯 |
的SiH4 + 2O2 + 摻雜物 → SiO2 + 2H2O |
N2 |
<600°C |
|
氮化矽(Si3N4) |
||||
高氧 |
3矽氫4 + 4NH3 (或 N2O*) → 矽3N4 + 12小時2 |
N2 |
600–700°C |
|
低溫等離子體增強(鈍化)(<600°C) |
||||
利用射頻 (RF) 或 |
||||
二氧化矽(SiO2) |
的SiH4 + 2O2 → 二氧化矽2 + 2H20 |
|||
氮化矽(Si3N4) |
3矽氫4 + 4NH3 (或 N2O*) → 矽3N4 + 12小時2 |
* 注意:反應不是化學計量平衡的。
** CVD 反應器系統的通用、專有或商標名稱
幾乎所有類型的 CVD 設備都包含以下組件:
基本上,CVD 工藝需要提供受控量的矽或氮化物源氣體,連同氮氣和/或氫氣載氣,如果需要還可以提供摻雜劑氣體,用於反應室內的化學反應。 除了控制反應器和晶片的表面溫度外,還施加熱量以提供化學反應所需的能量。 反應完成後,未反應的源氣加上載氣通過流出物處理系統排放到大氣中。
鈍化是 CVD 的一種功能類型。 它涉及在矽晶片表面生長保護性氧化層,通常作為非製造工藝之前的最後製造步驟。 該層通過將集成電路的表面與環境中的電氣和化學條件隔離開來提供電氣穩定性。
金屬化
在矽襯底中製造器件後,必須將它們連接在一起以執行電路功能。 這個過程被稱為金屬化。 金屬化通過沉積導電材料的複雜圖案提供了一種佈線或互連集成電路最上層的方法,這些圖案在電路內傳送電能。
廣泛的金屬化工藝根據沉積的金屬和其他材料層的尺寸和厚度而有所不同。 這些都是:
用於矽半導體金屬化的最常見金屬是:鋁、鎳、鉻或稱為鎳鉻合金、金、鍺、銅、銀、鈦、鎢、鉑和鉭的合金。
薄膜或厚膜也可以蒸發或沉積在各種陶瓷或玻璃基板上。 這些基材的一些例子是:氧化鋁(96% Al203)、氧化鈹 (99% BeO)、硼矽酸鹽玻璃、高溫陶瓷和石英 (SiO2).
薄膜
薄膜金屬化通常通過使用高真空或部分真空沉積或蒸發技術來應用。 高真空蒸發的主要類型是電子束、閃光和電阻,而部分真空沉積主要通過濺射完成。
要執行任何類型的薄膜真空金屬化,系統通常由以下基本組件組成:
電子束蒸發,通常稱為 電子束,使用聚焦電子束加熱金屬化材料。 高強度電子束的產生方式類似於電視顯像管中使用的方式。 電子流通過通常為 5 至 10 kV 的電場加速並聚焦在要蒸發的材料上。 聚焦的電子束熔化包含在水冷塊中的材料,水冷塊具有稱為爐床的大凹陷。 熔化的材料然後在真空室內蒸發並凝結在冷卻的晶圓上以及整個室表面上。 然後執行標準光刻膠、曝光、顯影和濕法或乾法蝕刻操作以描繪複雜的金屬化電路。
閃蒸 是另一種沉積金屬化薄膜的技術。 當要同時蒸發兩種材料(合金)的混合物時,主要使用此方法。 雙組分薄膜的一些示例是:鎳/鉻 (Nichrome)、鉻/一氧化矽 (SiO) 和鋁/矽。
在閃蒸中,陶瓷棒通過熱阻加熱,連續進給的線軸、顆粒流或振動分配的粉末與熱的燈絲或棒接觸。 然後蒸發的金屬覆蓋內部腔室和晶圓表面。
電阻蒸發 (也稱為燈絲蒸發)是最簡單且成本最低的沉積形式。 蒸發是通過逐漸增加流過燈絲的電流來首先熔化待蒸發材料的環路,從而潤濕燈絲來完成的。 一旦燈絲被潤濕,通過燈絲的電流就會增加,直到發生蒸發。 電阻蒸發的主要優點是可以蒸發的材料種類繁多。
維護工作有時在稱為鍾罩的電子束蒸發器沉積室的內表面上進行。 當維護技術人員將頭伸入鐘形罩內時,可能會發生大量暴露。 去除沉積在鐘形罩內表面上的金屬殘留物可能會導致此類暴露。 例如,在從用於沉積銀的蒸發器中去除殘留物的過程中,技術人員的銀暴露量遠高於空氣傳播限值(Baldwin 和 Stewart,1989 年)。
使用有機清潔溶劑清潔鐘形罩殘留物也會導致大量溶劑暴露。 在此類清潔過程中,曾發生過技術人員接觸到濃度超過 250 ppm 的甲醇的情況。 使用水代替甲醇作為清潔溶劑可以消除這種暴露(Baldwin 和 Stewart 1989)。
濺射沉積 工藝發生在低壓或部分真空氣體環境中,使用直流電(DC 或陰極濺射)或射頻電壓作為高能量源。 在濺射中,在使用低真空泵達到令人滿意的真空度後,將惰性氬氣離子引入真空室。 通過在兩個帶相反電荷的板之間施加高電壓(通常為 5,000 V)形成電場。 這種高能放電使氬氣原子電離並使它們移動並加速到腔室中稱為靶的板之一。 當氬離子撞擊由待沉積材料製成的靶時,它們會驅散或濺射這些原子或分子。 金屬化材料的脫落原子隨後沉積在面向靶材的矽基板上的薄膜中。
許多老式濺射設備的側面和背面的射頻洩漏被發現超過了職業暴露限值(Baldwin 和 Stewart 1989)。 大部分漏水是由於反复拆卸維護面板導致機櫃出現裂縫。 在同一製造商的較新型號中,接縫處帶有金屬絲網的面板可防止明顯洩漏。 可以用金屬絲網改造舊的濺射器,或者可以使用銅帶覆蓋接縫以減少洩漏。
厚膜
大多數厚膜的結構和尺寸與硅集成電路的金屬化不兼容,主要是由於尺寸限制。 厚膜主要用於混合電子結構的金屬化,例如 LCD 的製造。
絲網印刷工藝是厚膜應用的主要方法。 通常使用的厚膜材料是鈀、銀、二氧化鈦和玻璃、金-鉑和玻璃、金-玻璃和銀-玻璃。
電阻厚膜通常使用絲網印刷技術沉積在陶瓷基板上並形成圖案。 金屬陶瓷 是一種電阻性厚膜,由導電金屬顆粒懸浮在陶瓷基體中,並以有機樹脂作為填料。 典型的金屬陶瓷結構由在一氧化矽或二氧化矽基質中的鉻、銀或氧化鉛組成。
電鍍
兩種基本類型的電鍍技術用於在半導體基板上形成金屬膜:電鍍和化學鍍。
In 電鍍,將待鍍基板置於鍍槽的陰極或帶負電的端子處,並浸入電解液中。 由待鍍金屬製成的電極用作陽極或帶正電的端子。 當直流電通過溶液時,從陽極溶解到溶液中的帶正電的金屬離子遷移並沉積在陰極(基板)上。 這種電鍍方法用於形成金或銅的導電膜。
In 化學鍍,待鍍金屬的同時還原和氧化用於形成游離金屬原子或分子。 由於該方法在電鍍過程中不需要導電,因此可用於絕緣型基板。 鎳、銅和金是最常見的以這種方式沉積的金屬。
合金化/退火
在沉積和蝕刻金屬化互連之後,可以執行最後的合金化和退火步驟。 合金化包括將金屬化基板(通常帶有鋁)置於低溫擴散爐中,以確保鋁金屬和矽基板之間的低電阻接觸。 最後,無論是在合金化步驟中還是緊隨其後,晶圓通常會在擴散爐中暴露於 400 至 500°C 的含氫氣體混合物中。 退火步驟旨在通過在矽-二氧化矽界面處或附近將氫與未確定的原子結合來優化和穩定器件的特性。
背磨和背面金屬化
還有一個可選的金屬化處理步驟稱為倒磨。 可以使用濕研磨溶液和壓力研磨或研磨晶片的背面。 可以通過濺射將諸如金的金屬沉積在晶片的背面上。 這使得在最終組裝中更容易將分離的管芯連接到封裝。
組裝和測試
非製造加工,包括外部包裝、附件、封裝、組裝和測試,通常在單獨的生產設施中進行,而且很多時候是在東南亞國家進行的,這些勞動密集型工作的執行成本較低。 此外,在非製造加工區域,工藝和微粒控制的通風要求通常不同(非潔淨室)。 製造過程中的這些最後步驟涉及的操作包括焊接、脫脂、使用化學品和輻射源進行測試,以及使用激光進行修整和標記。
半導體製造過程中的焊接通常不會導致高鉛暴露。 為防止對集成電路造成熱損壞,焊料溫度應保持在低於可能形成大量熔化鉛煙的溫度 (430°C)。 但是,通過刮擦或刷掉含鉛殘留物來清潔焊接設備可能會導致鉛暴露量超過 50 μg/m3 (鮑德溫和斯圖爾特 1989)。 此外,鉛暴露量為 200 微克/立方米3 在波峰焊操作期間使用不當的浮渣去除技術時會發生這種情況(Baldwin 和 Williams 1996)。
由於接觸助焊劑的熱解產物,特別是在手工焊接或修補操作期間,對焊接操作的一個日益關注是呼吸道刺激和哮喘,這些操作在歷史上並不常用局部排氣通風(不像波峰焊操作,它在過去的幾十年裡,它們通常被封閉在用完的櫃子裡)(Goh 和 Ng 1987)。 有關詳細信息,請參閱文章“印刷電路板和計算機組裝”。
由於助焊劑中的松香是一種敏化劑,因此無論空氣採樣結果如何,都應將所有暴露降低到盡可能低的水平。 當焊接要進行較長時間(例如,超過 2 小時)時,新的焊接裝置尤其應包括局部排氣通風。
手工焊接產生的煙霧會隨著熱流垂直上升,當員工俯身靠在焊接點上時進入員工的呼吸區。 通常通過在焊嘴處有效的高速和低容量局部排氣通風來實現控制。
將過濾後的空氣返回工作場所的設備,如果過濾效率不足,可能會造成二次污染,影響除焊接以外的工作場所人員。 過濾後的空氣不應返回到工作室,除非焊接量很小並且房間有良好的一般稀釋通風。
晶圓分類和測試
晶圓製造完成後,每個本質上完成的晶圓都會經過晶圓分類過程,其中每個特定芯片上的集成電路都會用計算機控制的探針進行電氣測試。 單個晶圓可能包含一百到數百個必須進行測試的獨立管芯或芯片。 測試結果完成後,芯片會用自動分配的單組分環氧樹脂進行物理標記。 紅色和藍色用於識別和分類不符合所需電氣規格的芯片。
模具分離
在對晶圓上的器件或電路進行測試、標記和分類後,晶圓上的各個管芯必須物理分離。 已經設計了許多方法來分離單個芯片——金剛石劃線、激光劃線和金剛石輪鋸。
金剛石劃線是最古老的使用方法,它涉及沿著劃線或“街道”在晶圓上繪製形狀精確的嵌入金剛石的尖端,將晶圓表面上的各個芯片分開。 劃線造成的晶體結構缺陷使晶圓沿著這條線彎曲和斷裂。
激光劃線是一種相對較新的芯片分離技術。 激光束由脈衝式高功率釹釔激光器產生。 光束沿著劃線在矽晶片中產生凹槽。 凹槽用作晶圓斷裂的線。
一種廣泛使用的管芯分離方法是濕鋸——用高速圓金剛石鋸沿著街道切割基板。 鋸切可以部分切割(劃線)或完全切割(劃片)矽基板。 通過鋸切產生從街道上清除的材料的濕漿。
芯片貼裝和鍵合
單個管芯或芯片必須連接到載體封裝和金屬引線框架上。 載體通常由絕緣材料(陶瓷或塑料)製成。 陶瓷載體材料通常由氧化鋁(Al2O3), 但可能由氧化鈹 (BeO) 或滑石 (MgO-SiO2). 塑料載體材料是熱塑性或熱固性樹脂類型。
單個管芯的連接通常通過三種不同類型的連接中的一種來完成:共晶、預成型和環氧樹脂。 共晶模具連接涉及使用共晶釬焊合金,例如金矽。 在這種方法中,一層金金屬被預先沉積在芯片的背面。 通過將封裝加熱到共晶溫度(金矽為 370°C)以上並將管芯放置在其上,在管芯和封裝之間形成鍵合。
預成型鍵合涉及使用一小塊特殊合成材料,該材料將粘附到芯片和封裝上。 將預成型件放置在封裝的芯片貼裝區域並使其熔化。 然後在整個區域擦洗芯片,直到貼上芯片,然後冷卻封裝。
環氧樹脂鍵合涉及使用環氧樹脂膠將管芯附著到封裝上。 將一滴環氧樹脂滴在封裝上,並將管芯放在其上。 封裝可能需要在高溫下烘烤以正確固化環氧樹脂。
一旦管芯物理連接到封裝,就必須在集成電路和封裝引線之間提供電連接。 這是通過使用熱壓、超聲波或熱超聲鍵合技術在矽芯片和封裝引線的接觸區域之間連接金線或鋁線來實現的。
熱壓鍵合通常與金線一起使用,涉及將封裝加熱到大約 300oC 並使用熱和壓力在導線和焊盤之間形成鍵合。 兩種主要類型的熱壓粘合在使用中——焊球 楔形接合. 球焊,僅用於金線,將線送入毛細管,壓縮它,然後氫火焰熔化線。 此外,這會在下一個鍵合週期的導線末端形成一個新球。 楔形鍵合涉及楔形鍵合工具和顯微鏡,用於將矽芯片和封裝準確定位在鍵合焊盤上。 該過程在惰性氣氛中進行。
超聲波鍵合使用超聲波高頻能量脈衝來提供擦洗作用,從而在導線和焊盤之間形成鍵合。 超聲波鍵合主要用於鋁線,通常優於熱壓鍵合,因為它不需要在鍵合操作期間加熱電路芯片。
熱超聲鍵合是金線鍵合的最新技術變革。 它涉及使用超聲波和熱能的組合,並且比熱壓鍵合需要更少的熱量。
封裝
封裝的主要目的是將集成電路放入滿足與集成電路應用相關的電、熱、化學和物理要求的封裝中。
最廣泛使用的封裝類型是徑向引線型、扁平封裝和雙列直插 (DIP) 封裝。 徑向引線型封裝主要由鐵、鎳、鈷的合金可伐合金製成,並帶有硬玻璃密封和可伐合金引線。 扁平封裝使用金屬引線框架,通常由鋁合金結合陶瓷、玻璃和金屬組件製成。 雙列直插式封裝通常是最常見的,通常使用陶瓷或模製塑料。
模壓塑料半導體封裝主要由兩個獨立的工藝生產——傳遞模塑 注塑成型. 傳遞模塑是主要的塑料封裝方法。 在這種方法中,芯片安裝在未修整的引線框架上,然後批量裝入模具中。 粉末狀或顆粒狀的熱固性塑料成型化合物在加熱鍋中熔化,然後在壓力下被迫(轉移)到裝載的模具中。 粉末狀或顆粒狀塑料模塑料系統可用於環氧樹脂、矽樹脂或矽樹脂/環氧樹脂。 該系統通常由以下各項組成:
注塑成型使用熱塑性或熱固性模塑化合物,在受控溫度下在圓筒中將其加熱至熔點,並在壓力下通過噴嘴強制進入模具。 樹脂迅速凝固,打開模具,彈出封裝包。 注塑成型中使用了各種各樣的塑料化合物,其中環氧樹脂和聚苯硫醚 (PPS) 樹脂是半導體封裝中的最新產品。
矽半導體器件的最終封裝根據其抗洩漏能力或將集成電路與其環境隔離的能力進行分類。 這些被區分為氣密(氣密)或非氣密密封。
洩漏測試和老化
洩漏測試 是為測試封裝設備的實際密封能力或氣密性而開發的程序。 目前使用兩種常見的洩漏測試形式:氦氣洩漏檢測和放射性示踪劑洩漏檢測。
在氦氣洩漏檢測中,完成的包裝被放置在氦氣壓力的氣氛中一段時間。 氦氣能夠通過缺陷滲透到包裝中。 從氦氣加壓室中取出後,包裝被轉移到質譜儀室中,並測試包裝缺陷中的氦氣洩漏情況。
放射性示踪氣體,通常是氪85(Kr-85),在第二種方法中代替氦氣,測量從包裝中洩漏出來的放射性氣體。 在正常情況下,此過程中的人員暴露每年少於 5 毫西弗(500 毫雷姆)(Baldwin 和 Stewart,1989 年)。 這些系統的控件通常包括:
此外,與 Kr-85 接觸的材料(例如,暴露的 IC、用過的泵油、閥門和 O 形環)也經過調查,以確保它們在從中移除之前不會因為殘留氣體而發出過量的輻射。控制區。 Leach-Marshal (1991) 提供了有關來自 Kr-85 精細洩漏檢測系統的曝光和控制的詳細信息。
燒進來 是溫度和電應力操作,以確定最終封裝器件的可靠性。 使用環境氣氛或惰性氮氣氣氛,將設備放置在溫度受控的烘箱中較長時間。 溫度範圍從 125°C 到 200°C(平均 150°C),時間從幾小時到 1,000 小時(平均 48 小時)。
最後一個考試
為了最終表徵封裝矽半導體器件的性能,執行最終電氣測試。 由於所需測試的數量和復雜性,計算機執行和評估對設備的最終功能很重要的眾多參數的測試。
標記和包裝
最終封裝設備的物理識別是通過使用各種標記系統來完成的。 元件標記的兩大類是接觸式和非接觸式印刷。 接觸式印刷通常結合使用溶劑型油墨的旋轉膠印技術。 非接觸式印刷無需物理接觸即可轉移標記,涉及使用溶劑型墨水或激光標記的噴墨頭或碳粉印刷。
用作印刷油墨載體和預清潔劑的溶劑通常由醇類(乙醇)和酯類(乙酸乙酯)的混合物組成。 大多數組件標記系統,除激光標記外,使用的墨水需要額外的設置或固化步驟。 這些固化方法是空氣固化、熱固化(熱或紅外線)和紫外線固化。 紫外線固化油墨不含溶劑。
激光打標系統使用高功率二氧化碳 (CO2) 激光器,或高功率釹:釔激光器。 這些激光器通常嵌入在設備中,並具有聯鎖的機櫃,這些機櫃封閉了光束路徑和光束與目標接觸的點。 這消除了正常操作期間的激光束危害,但是當安全聯鎖裝置失效時存在問題。 需要移除光束罩並破壞聯鎖裝置的最常見操作是對準激光束。
在這些維護操作期間,理想情況下,除必要的維護技術人員外,應疏散裝有激光器的房間,鎖好房間的門並張貼適當的激光安全標誌。 然而,用於半導體製造的高功率激光器通常位於大型、開放的製造區域,使得在維護期間重新安置非維護人員是不切實際的。 對於這些情況,通常會建立一個臨時控制區。 通常,這些控制區域由能夠承受與激光束直接接觸的激光幕或焊接屏幕組成。 臨時控制區的入口通常是通過一個迷宮入口,只要激光聯鎖裝置被破壞,該入口就會張貼警告標誌。 光束對準期間的其他安全預防措施類似於開放光束高功率激光器操作所需的安全預防措施(例如,培訓、眼睛保護、書面程序等)。
高功率激光器也是半導體行業中最重要的電氣危害之一。 即使在電源關閉後,工具內仍存在巨大的電擊電位,必須在進入機櫃內部工作之前將其消散。
除了光束危害和電氣危害外,在對激光打標系統進行維護時還應小心,因為阻燃劑三氧化二銻和鈹可能造成化學污染(含有這種化合物的陶瓷包裝將被貼上標籤)。 在使用高功率激光打標期間會產生煙霧,並在設備表面和煙霧抽取過濾器上產生殘留物。
過去曾使用脫脂劑清潔半導體,然後再標記識別碼。 如果操作員的頭部位於導致蒸汽再凝結的冷卻盤管下方,則很容易發生高於適用的職業空氣接觸限值的溶劑暴露,這可能發生在操作員試圖取回掉落的部件或技術人員清理盤管底部的殘留物時單元(Baldwin 和 Stewart 1989)。 由於限制使用氯氟烴和氯化溶劑等消耗臭氧層物質,脫脂劑在半導體行業的使用已大大減少。
故障分析和質量保證
故障分析和質量分析實驗室通常執行用於確保設備可靠性的各種操作。 在這些實驗室中進行的一些操作存在員工暴露的可能性。 這些包括:
鈷 60(高達 26,000 居里)用於輻照器,用於測試 IC 在軍事和太空應用中承受伽馬輻射的能力。 在正常情況下,此操作的人員暴露每年少於 5 毫西弗(500 毫雷姆)(Baldwin 和 Stewart,1989 年)。 這種有些專門化操作的控制類似於用於 Kr-85 精細洩漏系統的控制(例如,隔離室、連續輻射監測器、人員暴露監測等)。
在故障分析過程中使用小型“特定許可證”α 源(例如,微居里和毫居里的镅 241)。 這些源被稱為窗口的薄保護塗層覆蓋,允許 alpha 粒子從源發射,以測試集成電路在受到 alpha 粒子轟擊時的運行能力。 通常定期(例如,每半年一次)檢查源是否會在防護窗損壞時發生放射性物質洩漏。 任何可檢測到的洩漏通常會觸發源的移除並將其運回製造商。
機櫃 X 射線系統用於檢查金屬塗層的厚度和識別缺陷(例如,模塑料封裝中的氣泡)。 雖然不是重要的洩漏源,但通常會定期(例如,每年)使用手持式 X 射線洩漏測量儀檢查這些裝置,並進行檢查以確保門聯鎖裝置正常運行。
運費會在結賬時計算
運輸是大多數矽半導體設備製造商參與的終點。 商業半導體製造商將他們的產品出售給其他終端產品生產商,而專屬製造商則將這些設備用於他們自己的終端產品。
健康研究
每個流程步驟都使用一組特定的化學品和工具,這些化學品和工具會導致特定的 EHS 問題。 除了與硅半導體器件加工中特定工藝步驟相關的擔憂之外,一項流行病學研究調查了半導體行業員工對健康的影響(Schenker 等人,1992 年)。 另見文章“健康影響和疾病模式”中的討論。
該研究的主要結論是,在半導體製造設施中工作與自然流產 (SAB) 率增加有關。 在研究的歷史部分中,製造和非製造員工中研究的懷孕人數大致相等(分別為 447 和 444),但製造中的自然流產(n = 67)多於非製造(n = 46) . 當針對可能導致偏差的各種因素(年齡、種族、吸煙、壓力、社會經濟狀況和懷孕史)進行調整時,捏造與非捏造的相對風險 (RR) 為 1.43(95% 置信區間 = 0.95-2.09) .
研究人員將增加的 SAB 率與暴露於半導體製造中使用的某些基於乙烯的乙二醇醚 (EGE) 聯繫起來。 參與研究並被懷疑對生殖產生不良影響的特定乙二醇醚是:
雖然不屬於研究的一部分,但工業中使用的另外兩種乙二醇醚,2-乙氧基乙醇 (CAS 110-80-5) 和二甘醇二甲醚 (CAS 111-96-6) 具有類似的毒性作用,已被一些機構禁止半導體製造商。
除了與暴露於某些乙二醇醚相關的 SAB 率增加外,該研究還得出結論:
設備審查
半導體製造設備的複雜性,加上製造工藝的不斷進步,使得新工藝設備的安裝前審查對於最大限度地降低 EHS 風險非常重要。 兩個設備審查流程有助於確保新的半導體工藝設備具有適當的 EHS 控制:CE 標誌和半導體設備和材料國際 (SEMI) 標準。
CE 標記是製造商聲明,如此標記的設備符合歐盟 (EU) 所有適用指令的要求。 對於半導體製造設備,機械指令 (MD)、電磁兼容性 (EMC) 指令和低電壓指令 (LVD) 被認為是最適用的指令。
在 EMC 指令的情況下,需要保留主管機構(由歐盟成員國正式授權的組織)的服務來定義測試要求和批准檢查結果。 MD 和 LVD 可由製造商或指定機構(歐盟成員國正式授權的組織)進行評估。 無論選擇何種途徑(自我評估或第三方),進口商負責進口產品的 CE 標記。 他們可以使用第三方或自我評估信息作為他們認為設備符合適用指令要求的依據,但最終,他們將準備符合性聲明並自行粘貼 CE 標誌。
Semiconductor Equipment and Materials International 是一個代表半導體和平板顯示設備及材料供應商的國際貿易協會。 其活動之一是製定自願性技術標準,這些標準是供應商和客戶之間的協議,旨在以合理的價格和穩定的供應提高產品質量和可靠性。
兩個專門針對新設備 EHS 問題的 SEMI 標準是 SEMI S2 和 SEMI S8。 半導體 S2-93, 半導體製造設備安全指南,旨在作為半導體製造中使用的設備的基於性能的 EHS 考慮因素的最小集合。 半導體 S8-95, 供應商人體工程學成功標準用戶指南,擴展了 SEMI S2 中的人體工程學部分。
許多半導體製造商要求新設備由第三方證明符合 SEMI S2 的要求。 SEMI S2-93 和 SEMI S8-95 的解釋指南包含在行業聯盟 SEMATECH 的出版物中(SEMATECH 1996)。 有關 SEMI 的更多信息,請訪問萬維網 (http://www.semi.org).
化學品處理
液體分配
隨著自動化學品分配系統成為規則,而不是例外,員工被化學品燒傷的次數已經減少。 但是,需要在這些自動化學品分配系統中安裝適當的防護措施。 這些包括:
配氣
多年來,隨著新型鋼瓶閥、鋼瓶中的限流孔、自動氣體吹掃面板、高流速檢測和關閉以及更複雜的洩漏檢測設備的出現,氣體分配安全性得到了顯著提高。 由於其自燃性及其作為原料的廣泛用途,矽烷氣體代表了行業內最顯著的爆炸危險。 然而,隨著 Factory Mutual 和 SEMATECH 進行的新研究,矽烷氣體事故變得更容易預測。 有了適當的減流孔 (RFO)、輸送壓力和通風率,大多數爆炸事件都已被消除 (SEMATECH 1995)。
由於不相容氣體的不受控制混合,近年來發生了幾起安全事故。 由於這些事件,半導體製造商經常檢查氣體管線安裝和工具氣體箱,以確保不會發生不當混合和/或氣體回流。
化學問題通常是半導體製造中最受關注的問題。 然而,該行業內的大多數傷害和死亡都是由非化學危害造成的。
電氣安全
該行業中使用的設備存在許多電氣危險。 安全聯鎖裝置在電氣安全方面發揮著重要作用,但這些聯鎖裝置經常被維護技術人員忽略。 大量的維護工作通常是在設備仍然通電或僅部分斷電時進行的。 最重要的電氣危險與離子注入機和激光電源有關。 即使在電源關閉後,工具內仍存在巨大的電擊電位,必須在工具內部工作之前將其消散。 美國的 SEMI S2 審查流程和歐洲的 CE 標誌有助於提高新設備的電氣安全性,但並不總是充分考慮維護操作。 所有新安裝的設備都需要仔細檢查維護操作和電氣危險。
排在電氣危險清單第二位的是一套在蝕刻、濺射和腔室清潔過程中產生射頻能量的設備。 需要適當的屏蔽和接地,以最大限度地降低 RF 灼傷的風險。
這些電氣危險和許多工具在維護操作期間不會斷電,需要維護技術人員採用其他方法來保護自己,例如上鎖/掛牌程序。 電氣危險並不是通過上鎖/掛牌解決的唯一能源。 其他能源包括加壓管線,其中許多含有有害氣體或液體,以及氣動控制裝置。 用於控制這些能源的斷開裝置需要位於容易獲得的位置——在 FAB (製造)或員工將工作的區域,而不是在不方便的地方,例如 subfab。
人體工程學
員工和工具之間的接口繼續造成傷害。 肌肉拉傷和扭傷在半導體行業相當普遍,尤其是對於維護技術人員而言。 在工具的製造過程中以及在工廠中放置工具的過程中,泵、腔室蓋等的入口通常設計得不好。 泵應裝在輪子上或放在拉出式抽屜或託盤中。 許多操作需要結合起重設備。
簡單的晶圓處理會導致人體工程學危害,尤其是在較舊的設施中。 較新的設施通常具有較大的晶圓,因此需要更多的自動化處理系統。 這些晶圓處理系統中有許多被認為是機器人設備,在設計和安裝這些系統時必須考慮這些系統的安全問題 (ANSI 1986)。
消防安全
除了已經解決的矽烷氣體之外,氫氣也有可能成為嚴重的火災隱患。 然而,人們對此有了更好的了解,而且業界還沒有看到與氫氣相關的許多重大問題。
現在最嚴重的火災隱患與 濕甲板 或蝕刻浴。 典型的建築塑料材料(聚氯乙烯、聚丙烯和阻燃聚丙烯)都已涉及製造 火災。 點火源可以是蝕刻或電鍍浴加熱器,電氣控制裝置直接安裝在塑料或相鄰工具上。 如果這些塑料工具之一發生火災,顆粒污染和腐蝕性燃燒產物會蔓延到整個工廠。 由於工廠的停機時間,而面積和設備恢復到潔淨室標準,經濟損失很高。 通常一些昂貴的設備無法充分淨化,必須購買新設備。 因此,充分的防火和防火保護都是至關重要的。
防火可以通過不同的不燃建築材料來解決。 不銹鋼是這些濕式甲板的首選構造材料,但該過程通常不會“接受”金屬工具。 具有較低火災/煙霧可能性的塑料存在,但尚未經過充分測試以確定它們是否與半導體製造工藝兼容。
為了防火,這些工具必須受到無障礙灑水裝置的保護。 將 HEPA 過濾器放置在潮濕的長凳上方通常會阻塞噴頭。 如果發生這種情況,請在過濾器下方安裝額外的灑水噴頭。 許多公司還要求在這些工具的增壓腔內安裝火災探測和滅火系統,許多火災都是從這裡開始的。
自 1970 年代以來,液晶顯示器 (LCD) 已在市場上銷售。 它們通常用於手錶、計算器、收音機和其他需要指示器和三個或四個字母數字字符的產品。 液晶材料的最新改進允許製造大型顯示器。 雖然 LCD 僅佔半導體行業的一小部分,但隨著它們在便攜式計算機、超輕型膝上型計算機和專用文字處理器的平板顯示器中的使用,它們的重要性已經增長。 隨著 LCD 最終取代電子產品中常用的最後一種真空管——陰極射線管 (CRT)(O'Mara 1993),預計 LCD 的重要性將繼續增長。
LCD 的製造是一個非常專業的過程。 工業衛生監測結果表明,所監測的各種溶劑暴露的空氣污染物水平非常低(Wade 等人,1981 年)。 一般來說,與其他類型的半導體製造相比,使用的有毒、腐蝕性和易燃固體、液體和氣體化學品以及危險物理試劑的種類和數量是有限的。
液晶材料是棒狀分子,例如圖1中的氰基聯苯分子。這些分子具有旋轉偏振光通過方向的特性。 雖然分子對可見光是透明的,但液體材料的容器看起來是乳白色或半透明的,而不是透明的。 發生這種情況是因為分子的長軸以隨機角度排列,因此光線隨機散射。 液晶顯示單元被佈置成使得分子遵循特定排列。 這種排列可以通過外部電場改變,從而改變入射光的偏振。
圖 1. 基本液晶聚合物分子
在平板顯示器的製造過程中,兩個玻璃基板分別加工,然後連接在一起。 前基板被圖案化以創建濾色器陣列。 後玻璃基板被圖案化以形成薄膜晶體管和金屬互連線。 這兩塊板在組裝過程中配對,如有必要,可切片並分離成單獨的顯示器。 液晶材料被注入到兩個玻璃板之間的間隙中。 檢查和測試顯示器,並將偏振膜應用於每個玻璃板。
製造平板顯示器需要許多單獨的過程。 他們需要專門的設備、材料和工藝。 下面概述了某些關鍵過程。
玻璃基板製備
玻璃基板是顯示器必不可少且昂貴的部件。 在過程的每個階段都需要對材料的光學和機械性能進行非常嚴格的控制,尤其是在涉及加熱時。
玻璃製造
兩種工藝用於製造具有非常精確的尺寸和可重現的機械性能的非常薄的玻璃。 由康寧開發的融合工藝利用一根玻璃進料棒在楔形槽中熔化並向上流動並流過槽的兩側。 熔融玻璃順著槽的兩側流下,在槽底匯合成單片,可作為均勻的片狀向下拉。 玻璃板的厚度由拉下玻璃的速度控制。 可以獲得高達近 1 m 的寬度。
其他尺寸適合 LCD 基板的玻璃製造商使用浮法製造。 在這種方法中,允許熔融玻璃流出到熔融錫床上。 玻璃不溶解或與金屬錫發生反應,而是漂浮在表面。 這允許重力平滑表面並允許兩側變得平行。 (見章節 玻璃、陶瓷及相關材料.)
可提供各種基板尺寸,最大可達 450 × 550 mm 或更大。 平板顯示器的典型玻璃厚度為 1.1 毫米。 較薄的玻璃用於一些較小的顯示器,如尋呼機、電話、遊戲機等。
切割、倒角和拋光
玻璃基板在熔合或浮法後被修整成一定尺寸,通常邊長約 1 m。 根據材料的最終應用,成型過程之後會進行各種機械操作。
由於玻璃易碎且容易在邊緣碎裂或破裂,因此通常對這些玻璃進行斜切、倒角或其他處理以減少處理過程中的碎裂。 邊緣裂紋處的熱應力在基板處理過程中累積並導致破損。 玻璃破碎是生產過程中的一個重要問題。 除了員工割傷和撕裂的可能性外,它還代表產量損失,玻璃碎片可能留在設備中,導致顆粒污染或劃傷其他基板。
增加的基板尺寸導致玻璃拋光的難度增加。 使用蠟或其他粘合劑將大型基板安裝到載體上,並使用研磨材料漿進行拋光。 此拋光過程之後必須進行徹底的化學清潔,以去除任何殘留的蠟或其他有機殘留物,以及研磨或拋光介質中包含的金屬污染物。
清潔
清洗工藝用於裸露的玻璃基板和覆有有機薄膜的基板,如彩色濾光片、聚酰亞胺取向膜等。 此外,具有半導體、絕緣體和金屬膜的基板需要在製造過程中的某些點進行清潔。 至少,在濾色器或薄膜晶體管製造中的每個掩蔽步驟之前都需要清潔。
大多數平板清潔採用物理和化學方法的結合,並有選擇地使用乾法。 化學蝕刻或清潔後,通常使用異丙醇乾燥基材。 (見表 1。)
表 1. 平板顯示器的清潔
物理清潔 |
乾洗 |
化學清洗 |
毛刷擦洗 |
紫外線臭氧 |
有機溶劑* |
噴射噴霧 |
等離子體(氧化物) |
中性洗滌劑 |
超聲波 |
等離子體(非氧化物) |
|
兆聲波 |
激光治療 |
純淨水 |
* 化學清洗中常用的有機溶劑包括:丙酮、甲醇、乙醇、 n-丙醇、二甲苯異構體、三氯乙烯、四氯乙烯。
彩色濾光片形成
前玻璃基板上的濾色器形成包括前面板和後面板共有的一些玻璃精加工和準備步驟,包括斜切和研磨工藝。 在基板上反復進行構圖、塗佈、固化等操作。 與硅晶圓加工存在許多相似點。 玻璃基板通常在軌道系統中進行清潔和塗層處理。
濾色器圖案化
各種材料和應用方法用於為各種平板顯示器類型創建濾色器。 可以使用染料或顏料,並且可以通過多種方式沉積和圖案化任何一種。 在一種方法中,使用接近印刷設備和標準光致抗蝕劑,在連續的光刻操作中沉積和染色明膠。 另一方面,使用分散在光致抗蝕劑中的顏料。 用於形成濾色器的其他方法包括電沉積、蝕刻和印刷。
ITO沉積
濾色器形成後,最後一步是透明電極材料的濺射沉積。 這是氧化銦錫 (ITO),它實際上是氧化物 In 的混合物2O3 和二氧化錫2. 這種材料是唯一適用於 LCD 透明導體應用的材料。 顯示器的兩面都需要一層薄的 ITO 薄膜。 通常,ITO 薄膜是使用真空蒸發和濺射製成的。
ITO 薄膜很容易用鹽酸等濕法化學品蝕刻,但隨著電極間距變小和特徵變得更精細,可能需要干法蝕刻以防止由於過度蝕刻而導致的線路底切。
薄膜晶體管形成
薄膜晶體管的形成與集成電路的製造非常相似。
薄膜沉積
基板從薄膜應用步驟開始製造過程。 薄膜通過 CVD 或物理氣相沉積 (PVD) 沉積。 等離子體增強 CVD,也稱為輝光放電,用於非晶矽、氮化矽和二氧化矽。
設備圖案化
一旦沉積了薄膜,就施加光致抗蝕劑並成像以允許將薄膜蝕刻到適當的尺寸。 與集成電路製造一樣,一系列薄膜被沉積和蝕刻。
定向膜應用和摩擦
在上基板和下基板上,都沉積了一層聚合物薄膜,用於在玻璃表面定向液晶分子。 這種取向膜可能有 0.1 μm 厚,可以是聚酰亞胺或其他“硬”聚合物材料。 沉積和烘烤後,用織物沿特定方向摩擦,在表面留下幾乎察覺不到的凹槽。 可以用皮帶上的一次穿過的布進行摩擦,從一側的輥進給,通過與基材接觸的輥下方,到達另一側的輥上。 基材在布下以與布相同的方向移動。 其他方法包括在基板上移動的移動刷。 摩擦材料的絨毛很重要。 凹槽用於幫助液晶分子在基板表面排列並呈現適當的傾角。
取向膜可以通過旋塗或印刷沉積。 打印方法在材料使用上更有效; 70-80%的聚酰亞胺從印刷輥轉移到承印物表面。
裝配
基板摩擦步驟完成後,將開始自動裝配線序列,其中包括:
頂板和底板的自動傳輸通過生產線進行。 一個板接收粘合劑,第二個板被引入到間隔物塗抹器站。
液晶射出
在襯底上構造了一個以上顯示器的情況下,現在通過切片將顯示器分開。 此時,可以利用密封材料中留下的孔將液晶材料引入基板之間的間隙中。 然後密封該入口孔並準備進行最終檢查。 液晶材料通常以在註射時混合的二元或三元系統的形式交付。 注入系統提供電池的混合和清洗,以避免在填充過程中產生氣泡。
檢驗與測試
檢查和功能測試在組裝和液晶注入後進行。 大多數缺陷與顆粒(包括點缺陷和線缺陷)和單元間隙問題有關。
偏振片附件
液晶顯示器本身的最後製造步驟是將偏振器應用到每個玻璃板的外部。 偏光膜是複合膜,其中包含將偏光器粘附到玻璃上所需的壓敏粘合劑層。 它們由自動機器施加,這些機器從卷或預切板中分配材料。 這些機器是為其他行業開發的貼標機的變體。 偏光膜貼在顯示器的兩側。
在某些情況下,在偏振器之前應用補償膜。 補償膜是在一個方向上拉伸的聚合物膜(例如,聚碳酸酯和聚甲基丙烯酸甲酯)。 這種拉伸改變了薄膜的光學特性。
一個完整的顯示器通常會將驅動器集成電路安裝在其中一個玻璃基板上或附近,通常是薄膜晶體管一側。
危害性
玻璃破碎是 LCD 製造中的一個重大危險。 可能會發生割傷和撕裂傷。 接觸用於清潔的化學品是另一個問題。
作為主要的半導體材料,矽在歷史上一直主導著 IC 技術的發展。 近年來,矽替代品的主要焦點集中在 III-V 族化合物,例如砷化鎵 (GaAs) 作為襯底材料。 作為一種半導體材料,GaAs 表現出比矽更高的性能,例如電子遷移率是矽的 5 到 6 倍。 這一特性與 GaAs 潛在的半絕緣特性相結合,可提高速度和功耗方面的性能。
GaAs 具有閃鋅礦結構,由兩個相互貫穿的面心立方子晶格組成,這與高質量鑄錠材料的生長有關。 GaAs 生長所涉及的技術比矽所採用的技術複雜得多,因為涉及更複雜的兩相平衡和高揮發性成分砷 (As)。 需要精確控制鑄錠生長系統中的 As 蒸氣壓,以在生長過程中保持 GaAs 化合物的精確化學計量。 兩類主要的 III-V 族半導體顯示器和器件生產具有經濟上可行的加工程序——LED 顯示器和微波 IC 器件。
LED 由單晶 GaAs 製成,其中 pn 結是通過添加合適的摻雜劑(通常是碲、鋅或矽)形成的。 三元和四元 III-V 材料(例如磷化砷化鎵 (GaAsP))的外延層在基板上生長,並在顯示器的可見光譜或發射器或檢測器的紅外光譜中產生特定波長的發射帶。 例如,峰值在 650 nm 左右的紅光來自 pn 電子和空穴的直接複合。 綠色發光二極管通常由磷化鎵 (GaP) 組成。 本文介紹了通用的 LED 處理步驟。
微波 IC 器件是一種特殊形式的集成電路; 它們用作雷達、電信和遙測的高頻放大器(2 至 18 GHz),以及用於電子戰系統的倍頻程和多倍頻程放大器。 微波 IC 設備製造商通常從外部供應商處購買帶或不帶外延層的單晶 GaAs 襯底(矽設備製造商也是如此)。 主要工藝步驟包括液相外延沉積、製造和類似於矽器件製造的非製造工藝。 本文還討論了除了 LED 處理之外還需要說明的處理步驟。
晶圓製造
與硅錠生長過程類似,元素形態的鎵和砷,加上少量摻雜材料——矽、碲或鋅——在高溫下發生反應,形成摻雜的單晶 GaAs 錠。 使用了三種通用的鑄錠生產方法:
塊狀多晶 GaAs 化合物通常是在高溫下在密封的石英安瓿中通過 As 蒸氣與 Ga 金屬的反應形成的。 通常,位於安瓿一端的 As 儲存器被加熱到 618°C。 這會在安瓿中產生大約 1 個大氣壓的 As 蒸氣壓,這是獲得化學計量 GaAs 的先決條件。 As 蒸氣與 Ga 金屬發生反應,溫度保持在 1,238°C,位於石英或熱解氮化硼 (PBN) 舟中的安瓿的另一端。 砷完全反應後,形成多晶爐料。 這用於通過程序冷卻(梯度凍結)或通過物理移動安瓿或熔爐以為生長提供適當的溫度梯度(Bridgeman)來進行單晶生長。 由於在 GaAs 的熔點下砷的蒸氣壓很高,在 20°C 時約為 812 個大氣壓,在 60°C 時約為 1,238 個大氣壓,因此使用這種用於 GaAs 複合和生長的間接方法(砷傳輸)。
大塊單晶 GaAs 的商業生產的另一種方法是 LEC 技術。 Czochralski 拉晶機在帶有外部石墨基座的坩堝中裝載大塊 GaAs。 然後,塊狀 GaAs 在接近 1,238°C 的溫度下熔化,晶體在加壓氣氛中拉製,加壓氣氛可能因製造商而異,通常從幾個大氣壓到 100 個大氣壓不等。 熔體完全被粘性玻璃包裹,B2O3,這可以防止熔體離解,因為 As 蒸氣壓與拉拔室中施加的惰性氣體(通常是氬氣或氮氣)的壓力相匹配或超過。 或者,可以合成單晶 GaAs 現場 通過將 As 注入熔融 Ga 或在高壓下直接結合 As 和 Ga。
GaAs 晶圓製造是半導體製造過程中最有可能暴露於大量常規化學品的過程。 雖然 GaAs 晶圓製造僅由一小部分半導體製造商完成,但需要特別重視這一領域。 該過程中使用的大量砷、過程中的眾多步驟以及砷的低空氣傳播限值使得難以控制暴露。 Harrison 的文章 (1986); Lenihan、Sheehy 和 Jones (1989); McIntyre 和 Sherin (1989) 以及 Sheehy 和 Jones (1993) 提供了有關此過程的危害和控制的更多信息。
多晶錠合成
安瓶裝載和密封
將大塊形式的元素砷 (99.9999%) 稱重並裝入裝有耗盡手套箱的石英舟中。 純液態 Ga (99.9999%) 和摻雜材料也以相同的方式稱重並裝入石英或熱解氮化硼 (PBN) 船中。 將舟皿裝入長圓柱形石英安瓿中。 (在 Bridgman 和梯度冷凍技術中,還引入了具有所需晶體學取向的晶種,而在兩階段 LEC 技術中,在此階段只需要多晶 GaAs,無需晶種即可合成多晶 GaAs。 )
將石英安瓿放入低溫爐中加熱,同時用氫氣(H2),在稱為氫還原反應的過程中,去除氧化物。 在用惰性氣體(如氬氣)吹掃後,將石英安瓿連接到真空泵組件上,抽真空,然後用氫/氧炬加熱並密封安瓿末端。 這將創建一個帶電且密封的石英安瓿瓶,為熔爐生長做好準備。 如果不使用適當的安全裝置和設備,氫氣吹掃和氫氣/氧氣火炬系統有潛在的火災/爆炸危險(Wade 等人,1981 年)。
因為砷被加熱,所以該組件保持排氣通風。 支撐該組件的排氣管中會形成氧化砷沉積物。 如果管道受到任何干擾,必須小心防止暴露和污染。
砷塊的儲存和處理是一個問題。 為了安全起見,砷通常被鎖在倉庫中,並嚴格控制庫存。 通常,砷也保存在防火儲藏櫃中,以防止在發生火災時捲入其中。
爐生長
Bridgeman 和單晶錠生長的梯度冷凍方法都在高溫爐外殼中使用填充和密封的石英安瓿,該外殼與濕式洗滌器系統相連。 熔爐生長過程中的主要暴露危害與石英安瓿在鑄錠生長過程中發生內爆或爆炸的可能性有關。 這種情況偶爾會發生,並且是以下原因之一造成的:
臥式 Bridgeman 系統由一個多區爐組成,其中密封的石英安瓿具有獨立的溫度區——砷“冷”指端溫度為 618°C,石英鎵/摻雜劑/晶種舟皿中的熔體溫度為 1,238°C。 水平 Bridgeman 系統的基本原理包括在 GaAs 船上穿過兩個加熱區(一個高於 GaAs 的熔點,一個低於熔點),以提供精確控制的熔融 GaAs 冷凍。 晶種始終保持在冷凍區,提供初始晶體起始結構,確定舟內晶體結構的方向和方位。 Ga 和 As 的石英舟和安瓿通過一組稱為支撐管的碳化矽襯裡懸掛在加熱器室內,這些襯裡位於電阻加熱器組件內以機械移動安瓿的整個距離。 此外,爐子組件位於工作台上,在生長過程中必須傾斜工作台,以提供合成 GaAs 熔體與晶種的適當界面。
在梯度凍結法中,利用電阻加熱的多區高溫爐保持在 1,200 至 1,300 °C(1,237°C 是 GaAs 的熔點/凝固點)。 鑄錠生長過程的總持續時間通常為 3 天,包括以下步驟:
石英安瓿在生長過程中也通過使用剪刀式手動千斤頂傾斜。
安瓶突破
單晶 GaAs 錠在密封的石英安瓿內生長後,必須打開安瓿並取出裝有錠和晶種的石英舟。 這是通過以下方法之一完成的:
石英安瓿通過使用王水(HCl,HNO3) 或硫酸/過氧化氫 (H2SO4/H2O2).
鋼錠噴砂/清潔
為了查看多晶缺陷並去除外部氧化物和污染物,必須對單晶 GaAs 錠進行噴砂處理。 使用碳化矽或煅燒氧化鋁噴砂介質,在用完的手套箱單元中進行噴砂處理。 濕法清潔是在化學浴中進行的,化學浴提供局部排氣通風並利用 王水 或酒精沖洗(異丙醇和/或甲醇)。
單晶錠生長
從安瓿中取出的多晶 GaAs 錠被破碎成塊,稱重並放入石英或 PBN 坩堝中,然後將氧化硼圓盤放在其上。 然後將坩堝放入在惰性氣體中加壓的晶體生長器(提拉器)中,並加熱至 1,238°C。 在此溫度下,GaAs 熔化,較輕的氧化硼變成液體密封劑,以防止砷從熔體中離解。 將晶種引入液帽下方的熔體中,並在反向旋轉的同時從熔體中緩慢抽出,從而在離開“熱區”時凝固。 這個過程大約需要 24 小時,具體取決於裝料量和晶體直徑。
生長周期完成後,將打開生長器以取出單晶矽錠並進行清潔。 即使液體蓋就位,仍有一定量的砷從熔體中逸出。 在此過程的這一步中,可能會大量暴露於空氣中的砷。 為了控制這種暴露,生長器被冷卻到 100°C 以下,這導致細小的砷顆粒沉積在生長器的內表面上。 這種冷卻有助於最大限度地減少空氣中的砷含量。
大量含砷殘留物留在晶體生長器的內部。 在常規預防性維護期間去除殘留物會導致砷在空氣中濃度顯著升高(Lenihan、Sheehy 和 Jones 1989 年;Baldwin 和 Stewart 1989 年;McIntyre 和 Sherin 1989 年)。 在此維護操作期間使用的控件通常包括清道夫排氣通風、一次性衣服和呼吸器。
當鑄錠被移除時,生長器被拆除。 HEPA 真空吸塵器用於收集種植者所有部位的砷顆粒。 抽真空後,用氫氧化銨/過氧化氫混合物擦拭不銹鋼部件以去除任何殘留的砷,然後組裝生長器。
晶圓加工
X射線衍射
GaAs 錠的晶體取向是通過使用 x 射線衍射裝置來確定的,就像在矽錠加工中一樣。 低功率激光可用於確定生產環境中的晶體取向; 然而,X 射線衍射更準確,是首選方法。
當使用 X 射線衍射時,X 射線束通常完全封閉在保護櫃中,定期檢查輻射洩漏。 在某些情況下,將 X 射線束完全包含在聯鎖外殼中是不切實際的。 在這種情況下,操作員可能需要佩戴輻射指環,並使用類似於用於高功率激光器的控制(例如,限制進入的封閉房間、操作員培訓、盡可能封閉光束等)(鮑德溫和威廉姆斯 1996 年)。
鋼錠裁剪、研磨和切片
使用水潤滑的單刃金剛石鋸去除單晶錠的末端或尾部,並在水中添加各種冷卻劑。 然後將單晶錠放在車床上,車床將其成型為直徑均勻的圓柱形錠。 這就是研磨過程,也是濕法過程。
切割和研磨後,GaAs 錠用環氧樹脂或蠟固定在石墨樑上,並通過使用自動操作的內徑 (ID) 金剛石鋸片鋸成單個晶圓。 這種濕法操作是通過使用潤滑劑完成的,並產生 GaAs 漿液,將其收集、離心並用氟化鈣處理以沉澱出砷。 檢測上清液以確保其不含過量砷,並將污泥壓成餅狀並作為危險廢物處理。 一些製造商將從鑄錠切割、研磨和切片過程中收集的漿料發送用於 Ga 回收。
砷化氫和磷化氫可能由砷化鎵和磷化銦與空氣中的水分、其他砷化物和磷化物反應形成,或者在砷化鎵和磷化銦加工過程中與酸混合形成; 在距用於切割 GaAs 和磷化銦錠的切片刀片 92 英寸處測得 176 ppb 胂和 2 ppb 磷化氫(Mosovsky 等人,1992 年;Rainer 等人,1993 年)。
晶圓清洗
從石墨樑上取下 GaAs 晶圓後,將它們依次浸入含有硫酸/過氧化氫或乙酸和酒精溶液的濕化學浴中進行清潔。
邊緣輪廓
邊緣輪廓也是在切片晶圓上執行的濕法工藝,以在晶圓周圍形成邊緣,從而使其不易破損。 由於僅在晶圓表面進行了薄切,因此僅產生少量漿料。
研磨拋光
使用熱板將晶圓蠟固定在研磨或研磨板上,然後在施加設定轉速和壓力的機器上研磨。 將研磨溶液輸送到研磨表面(氧化鋁、甘油和水的漿液)。 經過短暫的研磨期後,當達到所需的厚度時,晶圓被沖洗並安裝在機械拋光機上。 使用碳酸氫鈉、5% 的氯、水(或次氯酸鈉)和膠態二氧化矽漿料進行拋光。 然後將晶圓在加熱板上卸下,使用溶劑去除蠟並清潔晶圓。
外延
單晶 GaAs 晶片用作襯底,用於生長具有所需電子或光學特性的相同或其他 III-V 族化合物的非常薄的層。 這必須以在生長層中延續襯底的晶體結構的方式進行。 這種由襯底決定生長層的結晶度和取向的晶體生長稱為外延生長,III-V 顯示器和器件生產中使用了多種外延生長技術。 最常見的技術是:
液相外延
在 LPE 中,使用石墨支架直接在 GaAs 襯底的表面上生長一層摻雜的 III-V 材料,石墨支架包含用於將材料沉積在晶圓上的獨立腔室。 將稱重的沉積材料添加到支架的上室,而晶圓則放置在下室中。 該組件放置在氫氣氣氛下的石英反應管內。 管子被加熱以熔化沉積材料,當熔化物達到平衡時,支架的上部滑動,使熔化物位於晶圓上方。 然後降低爐溫以形成外延層。
LPE 主要用於微波 IC 外延和製造特定波長的 LED。 這種 LPE 工藝的主要問題是在系統中使用高度易燃的氫氣,良好的工程控制和預警系統可以緩解這種情況。
分子束外延
MBE 形式的真空外延已發展成為一種特別通用的技術。 GaAs 的 MBE 由一個超高真空系統組成,該系統包含 Ga 和 As 的原子或分子束源以及加熱的襯底晶片。 分子束源通常是液態 Ga 或固態 As 的容器。 源具有面向襯底晶片的孔口。 當噴射爐(或容器)被加熱時,Ga 原子或 As 分子從孔中噴射出來。 對於 GaAs,生長通常發生在襯底溫度高於 450°C 的情況下。
在維護固體源 MBE 系統期間,可能會發生大量胂暴露。 在一項研究中,當打開 MBE 裝置的腔室進行維護時,室內空氣濃度為 0.08 ppm。 作者假設瞬態胂的產生可能是由非常細的砷顆粒與水蒸氣反應引起的,其中鋁充當催化劑(Asom 等人,1991 年)。
氣相外延
脫脂和拋光的晶圓在外延生長之前要經過蝕刻和清潔步驟。 這涉及以 5:1:1 的比例使用硫酸、過氧化氫和水的順序濕化學浸漬操作; 去離子水沖洗; 和異丙醇清潔/乾燥。 還進行目視檢查。
基於兩種不同的化學物質,目前正在使用兩種主要的 VPE 技術:
這些技術的熱化學性質非常不同。 鹵素反應通常是“熱”到“冷”反應,其中 III-鹵素通過 III 元素與 HCl 反應在熱區生成,然後擴散到冷區,在那裡它與 V 物種反應形成 III-V 材料。金屬有機化學是一個“熱壁”過程,其中 III 金屬有機化合物“裂解”或熱解掉有機基團,剩餘的 III 和氫化物 V 反應形成 III-V。
在 VPE 中,GaAs 襯底被放置在氫氣氣氛下的加熱室中。 腔室通過射頻或電阻加熱進行加熱。 HCl 鼓泡通過 Ga 舟,形成氯化鎵,然後與 AsH 反應3 和PH3 在晶圓表面附近形成 GaAsP,作為外延層沉積在襯底上。 可以添加多種摻雜劑(取決於產品和配方)。 其中包括低濃度的碲化物、硒化物和硫化物。
LED 加工中用於 VPE 的常用技術是 III-鹵素和 V-氫(氫化物)系統。 它涉及一個雙循環過程——首先在 GaAs 襯底上生長 GaAsP 外延層,最後是一個蝕刻循環,用於清潔石墨/石英反應室中的雜質。 在外延生長周期中,預清潔的 GaAs 晶片被裝載到位於石英反應室內部的傳送帶上,該傳送帶包含一個元素液體鎵儲層,通過該儲層計量無水 HCl 氣體,形成 GaCl3. 氫化物/氫氣混合物(例如,7% AsH3/H2 和 10% PH3/H2) 也通過添加 ppm 濃度的碲和硒有機金屬摻雜劑計量進入反應室。 熱區(反應室上部)中的化學物質發生反應,而冷區(反應室下部)中的化學物質在晶圓基板上以及反應室內部形成所需的 GaAsP 層反應室。
來自反應器的流出物被輸送到氫火炬系統(燃燒室或燃燒室)進行熱解,並被排放到濕式洗滌器系統。 或者,可以將反應器流出物鼓泡通過液體介質以捕集大部分顆粒。 安全挑戰在於依賴反應堆本身“裂解”氣體。 這些反應器的效率約為 98 至 99.5%; 因此,當操作員取出時,一些未反應的氣體可能會從起泡器中逸出。 這些起泡器會排出各種含砷和磷的化合物,需要將它們快速運送到通風水槽進行維護,在那裡進行清洗和清潔,以保持人員暴露在低水平。 該過程的職業衛生挑戰是分析廢氣流出物,因為來自反應器各個部分(尤其是鼓泡器)的大部分脫氣化合物在空氣中不穩定,並且可用的常規收集介質和分析技術不會歧視不同的物種。
另一個問題是 VPE 反應器的預洗滌器。 它們可能含有高濃度的胂和磷化氫。 如果不加區別地打開這些預洗滌器,可能會發生高於職業接觸限值的接觸(Baldwin 和 Stewart,1989 年)。
蝕刻週期在生長周期結束時在新的反應器部件上進行,以清潔雜質的內表面。 未稀釋的 HCl 氣體被計量進入腔室約 30 分鐘,反應器被加熱到 1,200°C 以上。 流出物被排放到濕式洗滌器系統進行中和。
在生長和蝕刻週期結束時,擴展的 N2 吹掃用於沖洗反應室中的有毒/易燃和腐蝕性氣體。
反應釜清洗
在每個生長周期之後,必須打開 VPE 反應器,取出晶圓,並對反應器的上部和下部進行物理清潔。 清潔過程由操作員執行。
反應器中的石英預洗滌器被物理地移出反應器並放置在用 N 吹掃的用盡的水槽中2,用水沖洗,然後浸入水中 王水. 然後在乾燥部件之前再次用水沖洗。 N的意圖2 由於存在不穩定的自燃磷,吹掃只是簡單地置換氧氣。 即使在清洗和水沖洗後,一些含有各種砷和含磷副產品的殘留物仍留在這些部件上。 這些殘留物與強氧化劑/酸混合物之間的反應可能會產生大量的 AsH3 和一些 PH3. 該地區的其他維護程序也有暴露的可能性。
使用金屬工具將石英反應室的底部和底板(底板)刮乾淨,顆粒材料(GaAs、GaAsP、氧化砷、氧化磷和截留的氫化物氣體的混合物)被收集在金屬容器位於立式反應器下方。 高效真空用於最終清理。
另一個可能接觸化學物質的操作是清潔反應器的疏水閥。 疏水閥清潔是通過從上腔室刮下石墨部件來完成的,這些部件具有所有前面提到的副產品加上氯化砷的外殼。 刮擦過程會產生灰塵,並在通風的水槽中進行,以最大程度地減少操作員的接觸。 包含所有副產品以及形成液體廢物的水分的工藝排放管線被打開並排放到金屬容器中。 HEPA 真空吸塵器用於清除在轉移石墨部件和升降鐘形罩期間可能逸出的任何灰塵顆粒,這會敲掉任何鬆散的顆粒。
金屬有機化學氣相沉積
MOCVD廣泛用於III-V族器件的製備。 除了在其他 CVD 系統中用作源材料的氫化物氣體(例如胂和磷化氫)之外,MOCVD 系統中還使用毒性較小的液體替代品(例如叔丁基胂和叔丁基膦)以及其他有毒物質,例如烷基鎘和汞(Content 1989;Rhoades、Sands 和 Mattera 1989;Roychowdhury 1991)。
VPE 指的是化合物材料沉積工藝,而 MOCVD 指的是系統中使用的母體化學源。 使用兩種化學物質:鹵化物和金屬有機物。 上述VPE工藝是鹵化物工藝。 在熱區形成 III 族鹵化物(鎵),在冷區沉積 III-V 化合物。 在 GaAs 的金屬有機工藝中,三甲基鎵與胂或毒性較小的液體替代品(如叔丁基胂)一起計量加入反應室,以形成砷化鎵。 一個典型的 MOCVD 反應的例子是:
(CH3)3鎵+砷化氫3 → 砷化鎵 + 3CH4
LED 的 MOCVD 工藝中還使用了其他化學物質。 用作第 III 族元素的有機金屬包括三甲基鎵 (TMGa)、三乙基鎵 (TEGa)、TM 銦、TE 銦和 TM 鋁。 該過程中還使用氫化物氣體:100% AsH3 和 100% PH3. 該工藝中使用的摻雜劑有:二甲基鋅(DMZ)、雙環戊二烯基鎂和硒化氫(H2硒)。 這些材料在低壓 HXNUMX 下在反應室內發生反應2 氣氛。 該反應產生 AlGaAs、AlInGaP、InAsP 和 GaInP 的外延層。 該技術傳統上用於製造半導體激光器和光通信設備,例如光纖的發射器和接收器。 AlInGaP 工藝用於生產非常明亮的 LED。
與 VPE 工藝類似,MOCVD 反應器和零件清潔對工藝和職業衛生員都提出了挑戰,尤其是在大量濃縮 PH 的情況下3 在這個過程中使用。 這些反應器的“裂化”效率不如 VPE 反應器。 會產生大量的磷,這是一種火災隱患。 清潔程序涉及在這些反應器的各個部件上使用稀釋的過氧化氫/氫氧化銨,如果由於操作員錯誤而在金屬催化劑存在下使用濃縮溶液,則存在爆炸危險。
設備製造
上表面具有外延生長的 GaAsP 層的 GaAs 晶圓進入器件製造工藝流程。
氮化物沉積
氮化矽(Si3N4) 是使用標準擴散爐進行的。 氣源是矽烷(SiH4) 和氨 (NH3) 與氮氣載氣。
光刻工藝
標準的光致抗蝕劑、對準/曝光、顯影和剝離工藝被用於矽器件加工(參見“矽半導體製造”一文中關於光刻的部分)。
濕蝕刻
各種濕化學酸溶液的混合物用於局部排氣的蝕刻站的塑料浴中,其中一些配備垂直安裝的層流 HEPA 過濾供應系統。 使用的主要酸是硫酸 (H2SO4)、氫氟酸 (HF)、鹽酸 (HCl) 和磷酸 (H3PO4). 在矽加工中,過氧化氫 (H2O2) 與硫酸、氫氧化銨 (NH4OH) 提供腐蝕性蝕刻。 氰化物溶液(鈉或鉀)也用於蝕刻鋁。 然而,隨著為該工藝開發其他蝕刻劑,氰化物蝕刻正在慢慢被淘汰。 作為濕法蝕刻的替代方案,使用等離子蝕刻和灰化工藝。 反應器配置和反應氣體與硅器件加工中使用的非常相似。
擴散
在 720°C 的真空擴散爐中進行封閉安瓿二砷化鋅固體源擴散,利用 N2 載氣。 砷和砷化鋅用作摻雜劑。 它們在手套箱中以與散裝底物相同的方式稱重。
金屬化
使用電子束蒸發器進行初始鋁蒸發。 倒磨後,使用燈絲蒸發器進行最後一步的金蒸發。
合金化
最後的合金化步驟是在低溫擴散爐中使用氮氣惰性氣氛進行的。
倒磨
進行倒磨以去除沉積材料(GaAsP、Si3N4 等等)從晶圓的背面。 將晶片用蠟固定在研磨盤上並用膠態二氧化矽漿液進行濕研磨。 然後,通過在局部耗盡的濕化學蝕刻站中的有機剝離器中濕剝離晶片來去除蠟。 濕法研磨的另一種替代方法是乾法研磨,它使用氧化鋁“砂”。
使用了許多抗蝕劑和抗蝕劑剝離劑,通常含有磺酸(十二烷基苯磺酸)、乳酸、芳烴、萘和兒茶酚。 一些抗蝕劑剝離劑含有乙酸丁酯、乙酸和丁酯。 根據產品的不同,使用了負性和正性抗蝕劑以及抗蝕劑剝離劑。
最後一個考試
與硅器件加工一樣,完成的 LED 電路經過計算機測試和標記(參見“矽半導體製造”)。 執行最終檢查,然後對晶圓進行電氣測試以標記有缺陷的芯片。 然後使用濕鋸分離單個芯片,然後將其送去組裝。
印刷線路板
印刷線路板 (PWB) 是互連的電氣框架和物理結構,將印刷電路板的各種電子元件固定在一起。 PWB的主要類別有單面、雙面、多層和柔性。 越來越密集和越來越小的電路板的複雜性和間距要求要求電路板的兩面都覆蓋有底層電路。 單面板滿足早期計算器和簡單消費電子設備的要求,但便攜式筆記本電腦、個人數字助理和個人音樂系統需要雙面和多層 PWB。 PWB 圖案化處理本質上是一種光刻工藝,涉及選擇性地沉積和去除介電基板上的材料層,介電基板充當蝕刻或沉積在印刷線路板上的電氣“線路”。
多層板包含兩塊或多塊帶有電路的介電材料,這些材料堆疊在一起並粘合在一起。 通過隨後鍍銅的鑽孔,從一側到另一側以及到內層電路建立電氣連接。 最常用的介電基板是玻璃纖維板(環氧樹脂/玻璃纖維層壓板)。 其他材料是玻璃(含聚酰亞胺、聚四氟乙烯或三嗪樹脂)和覆蓋有酚醛樹脂的紙。 在美國,層壓板根據其滅火性能進行分類; 鑽孔、沖孔和機加工性能; 吸濕性能; 耐化學性和耐熱性; 和機械強度 (Sober 1995)。 FR-4(環氧樹脂和玻璃布基材)廣泛用於高科技應用。
實際的 PWB 工藝涉及許多步驟和各種各樣的化學試劑。 表 1 說明了典型的多層工藝以及與此工藝相關的 EHS 問題。 單面板和雙面板的主要區別在於,單面板從原材料開始,僅在一側鍍銅,並省略了化學鍍銅步驟。 標準雙面板在裸銅上有阻焊層,並通過孔進行電鍍; 該板具有鍍金觸點和組件圖例。 大多數 PWB 是多層板,它們是雙面的,內部層已經製造並夾在層壓板封裝內,然後進行幾乎與雙層板相同的處理。
表 1. PWB 流程:環境、健康和安全問題
主要工藝步驟 |
健康和安全問題 |
環境問題 |
材料準備 |
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購買預切尺寸的特定層壓板、入口材料和墊板 |
計算機輔助設計——VDU 和人體工程學危害 |
與機身相同顏色 |
堆棧和引腳 |
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覆銅板層疊進線材料和墊板; 鑽孔和 |
鑽孔時的噪音; 含有銅、鉛、金和環氧樹脂/玻璃纖維的鑽孔顆粒 |
廢物微粒(銅、鉛、金和 |
鑽孔 |
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數控 (N/C) 鑽床 |
鑽孔時的噪音; 含有銅、鉛、金和環氧樹脂/玻璃纖維的鑽孔顆粒 |
廢物微粒(銅、鉛、金和 |
去毛刺 |
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鑽孔板穿過刷子或砂輪 |
去毛刺時的噪音; 含有銅、鉛、金和環氧樹脂/玻璃纖維的微粒 |
廢物微粒(銅、鉛、金和 |
化學鍍銅 |
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在通孔中添加薄銅層 |
吸入和皮膚接觸清潔劑、調節劑、蝕刻劑、催化劑——H2SO4, H2O2, 乙二醇醚, KMnO4, 氨氮4HF2, 鈀, SnCl2, 硫酸銅4, 甲醛, 氫氧化鈉 |
廢水——酸、銅、腐蝕劑、 |
Imaging |
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乾膜抗蝕劑——紫外敏感光敏聚合物 |
吸入和皮膚接觸抗蝕劑; 開發商; 和 |
空氣排放物——溶劑 (VOC)、酸性氣體、 |
花紋電鍍 |
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清潔 |
清潔造成的吸入和皮膚危害; 鍍銅或錫/錫和鉛電鍍和掛條剝離—H3PO4, H2SO4; H2SO4 和硫酸銅4; 氟硼酸和Sn/Pb; 濃硝酸3 |
空氣排放——酸性氣體; 水 |
剝離,蝕刻,剝離 |
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抗蝕條 |
抗蝕劑條的吸入和皮膚危害; 鹼性蝕刻或銅帶—單乙醇胺 (MEA); 氨氮4哦; 氨氮4氯/氨4OH 或 NH4HF2 |
廢氣排放——MEA、氨、氟化物; |
阻焊層 |
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環氧油墨——絲網印刷 |
預清潔的吸入和皮膚危害; 環氧油墨和溶劑載體; 開發者——H2SO4; 環氧氯丙烷 + 雙酚 A、乙二醇醚(基於 PGMEA); γ-丁內酯。 固化過程中的紫外線 |
廢氣排放——酸性氣體、乙二醇醚 |
焊料塗層 |
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焊料整平 |
助焊劑、分解產物和鉛/錫焊料殘留物的吸入和皮膚危害——稀釋乙二醇醚 + <1% HCl 和 <1% HBr; 醛類、HCl、CO; 鉛和錫 |
空氣排放物——乙二醇醚 (VOC)、酸性氣體、醛類、CO; 廢料——鉛/錫焊料、助焊劑 |
鍍金和鍍鎳 |
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酸、金屬和 |
空氣排放——酸性氣體、氰化物; 水 |
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元件圖例 |
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絲網印刷 |
環氧樹脂基油墨和溶劑載體的吸入和皮膚危害——乙二醇醚基溶劑、表氯醇 + 雙酚 A |
廢氣排放——乙二醇醚 (VOC) 廢物——油墨和溶劑(少量) |
Cl2 = 氯氣; CO = 一氧化碳; 硫酸銅4 = 硫酸銅; H2O2 = 過氧化氫;H2SO4 = 硫酸; H3PO4 = 磷酸; HBR = 氫溴酸; HCl = 鹽酸; 硝酸3 = 硝酸; 鉀2CO3 = 碳酸鉀; 國民軍4 = 高錳酸鉀; 北美3PO4 = 磷酸鈉; 氨氮4Cl = 氯化銨; 氨氮4OH = 氫氧化銨; 硫酸鎳4 = 硫酸鎳; Pb = 鉛; Sn=錫; 氯化亞錫2 = 氯化亞錫; UV=紫外線; VOC = 揮發性有機化合物。
印刷電路板組裝
印刷電路板 (PCB) 組裝涉及通過使用鉛/錫焊料(在波峰焊機中或作為糊狀物應用,然後在低溫爐中回流)或環氧樹脂(在低溫爐中固化)。 底層 PWB(單面、雙面、多層或柔性)將決定可以連接的組件的密度。 許多工藝和可靠性問題構成了選擇將要使用的 PCB 組裝工藝的基礎。 主要工藝流程有:全表面貼裝技術(SMT)、混合技術(包括SMT和電鍍通孔(PTH))和底面貼裝。
通常在現代電子/計算機裝配設施中,使用混合技術,一些組件是表面安裝的,而其他連接器/組件是使用通孔技術或焊料回流焊接的。 下面討論“典型的”混合技術工藝,其中使用了涉及粘合劑附著、波峰焊和回流焊的表面貼裝工藝。 使用混合技術,有時可以在雙面板的頂面回流表面貼裝元件 (SMC),並在底面波峰焊 SMC。 當表面貼裝和通孔技術必須混合在一塊板上時,這種工藝特別有用,這是當前電子製造的規範。 第一步是使用回流焊工藝將 SMC 安裝到電路板的頂部。 接下來,插入通孔元件。 然後將電路板倒置,將底面的 SMC 粘附到電路板上。 通孔元件和底面 SMC 的波峰焊是最後一步。
主要技術混合技術工藝步驟包括:
下面簡要討論每個工藝步驟對環境、健康和安全的重要影響。
清洗前和清洗後
商業 PWB 通常是從 PWB 供應商處購買的,並且已經用去離子 (DI) 水溶液進行了預清潔以去除所有表面污染物。 在擔心平流層臭氧層耗竭之前,電子設備製造商會使用一種臭氧消耗物質,例如氯氟烴 (CFC) 作為最終清潔,甚至預清潔。 在 PCB 組裝過程結束時,通常使用含氯氟烴“蒸汽脫脂”操作去除助焊劑/波峰焊接操作中的殘留物。 再次由於對臭氧消耗的擔憂和對 CFC 生產的嚴格監管控制,進行了工藝變更,允許完整的 PWB 組件繞過清潔或僅使用去離子水清潔。
焊膏和粘合劑應用(模板印刷和放置)和元件插入
將鉛/錫焊膏應用於 PWB 表面可使表面貼裝元件連接到 PWB,這是 SMT 工藝的關鍵。 焊接材料充當導電和導熱的機械連接,並充當表面保護和增強可焊性的塗層。 焊膏由大約 70% 到 90% 的非揮發性物質組成(按每重量重量或每體積重量計算):
溶劑(揮發性物質)構成了產品的其餘部分(通常是專有混合物的酒精和乙二醇醚混合物)。
焊膏通過模板印刷,這是要添加到 PWB 表面的表面設計的精確圖案。 借助於緩慢穿過模板的刮板,將焊膏通過模板中的孔推到 PWB 上的焊盤位置。 然後將模板取下,將焊膏留在電路板上適當的焊盤上。 然後將組件插入 PWB 上。 主要的 EHS 危害與將焊膏塗到模板表面、清潔刮板和清潔模板的操作員的內務管理和個人衛生有關。 焊料中鉛的濃度和乾燥的焊膏粘附在皮膚和設備/設施工作表面的趨勢需要使用防護手套,良好的工作表面清潔,安全處置受污染的清潔材料(和環境處理)和操作員嚴格的個人衛生(例如,在進食、飲水或使用化妝品之前用肥皂洗手)。 空氣暴露水平通常低於鉛的檢測限,如果保持良好的內務管理/個人衛生,血鉛讀數處於背景水平。
粘合劑應用涉及將少量環氧樹脂(通常是雙酚 A-環氧氯丙烷混合物)自動點膠到 PWB 表面,然後“拾取和放置”元件並通過環氧樹脂將其插入到 PWB 上。 EHS 危害主要與“拾取和放置”裝置的機械安全危害有關,這是由於其自動化機械組裝、裝置後部的組件穿梭以及如果沒有適當的防護、光幕和硬件聯鎖裝置則可能造成嚴重傷害當前的。
粘合劑固化和焊料回流
然後,通過模板印刷或粘合劑應用連接的元件被固定高度的機械傳送帶運送到在線回流爐,該爐通過在大約 200 至 400°C 下回流焊膏來“點燃”焊料。 由環氧樹脂粘合劑連接的元件也通過焊料回流下游的爐子運行,通常在 130 至 160 溫度下運行oC. 焊膏和環氧樹脂的溶劑成分在過爐過程中被驅除,但鉛/錫成分沒有揮發。 蜘蛛網狀殘留物會在回流焊爐的排氣管中堆積,可以使用金屬網過濾器來防止這種情況發生。 PWB 偶爾會卡在傳送系統中,並會在爐中過熱,產生難聞的氣味。
助焊劑
要在 PWB 表面和元件引線上形成可靠的焊點,兩者都必須沒有氧化,並且即使在焊接使用的高溫下也必須保持這種狀態。 此外,熔化的焊料合金必須潤濕待連接的金屬表面。 這意味著助焊劑必須與要連接的表面發生反應並從中去除金屬氧化物,並防止清潔後的表面再次氧化。 它還要求殘留物是非腐蝕性的或易於去除的。 用於焊接電子設備的助焊劑分為三大類,通常稱為松香基助焊劑、有機或水溶性助焊劑和溶劑可去除合成助焊劑。 較新的低固含量“免清洗”或非揮發性有機化合物 (NVOC) 助焊劑屬於中間類別。
松香基助焊劑
松香基助焊劑是電子行業中最常用的助焊劑,無論是作為 噴助焊劑 or 泡沫助焊劑. 助焊劑可以包含在波峰焊設備內部,也可以作為獨立單元放置在單元的進料處。 作為基礎,松香基助焊劑具有天然松香或鬆香,松節油從松樹的油樹脂和管樹脂中蒸餾後獲得的半透明琥珀色松香。 樹脂被收集、加熱和蒸餾,去除任何固體顆粒,從而產生純化形式的天然產品。 它是一種具有單一熔點的均質材料。
松香是大約 90% 樹脂酸的混合物,樹脂酸主要是松香酸(一種非水溶性有機酸)和 10% 中性物質,如茋衍生物和各種碳氫化合物。 圖 1 提供了松香酸和海松酸的化學結構。
圖 1. 樅酸和海松酸
活性成分是松香酸,在焊接溫度下具有化學活性,會攻擊 PWB 表面的氧化銅,形成鬆香銅。 松香基助焊劑具有三種成分:溶劑或載體、松香和活化劑。 溶劑只是充當助焊劑的載體。 為了有效,松香必須以液態塗在板上。 這是通過將鬆香和活化劑溶解在溶劑系統中來實現的,溶劑系統通常是異丙醇 (IPA) 或醇的多組分混合物(IPA、甲醇或乙醇)。 然後通過添加空氣或氮氣將助焊劑發泡到 PCB 的底面上,或者噴灑在溶劑含量較高的“低固體”混合物中。 這些溶劑成分具有不同的蒸發速率,必須將稀釋劑添加到助焊劑混合物中以保持構成助焊劑的成分。 松香基助焊劑的主要類別是: 輕度活性松香 (RMA),這是使用中的典型助焊劑,其中添加了溫和的活化劑; 和松香活性 (RA),其中添加了更具侵略性的激活劑。
所有鬆香基助焊劑的主要 EHS 危害是酒精溶劑基。 安全隱患涉及儲存和使用時的易燃性、作為危險廢物的分類和處理、空氣排放和去除 VOC 所需的處理系統以及與吸入和皮膚(真皮)接觸相關的工業衛生問題。 這些項目中的每一個都需要不同的控制策略、員工教育和培訓以及許可/法規遵從(電子、電信和商業設備工業協會 1991)。
在波峰焊過程中,助焊劑被加熱到183至399°C; 產生的空中產物包括 脂肪醛,比如甲醛。 許多助焊劑還含有 有機胺鹽酸鹽活化劑, 這有助於清潔焊接區域並在加熱時釋放鹽酸。 其他氣態成分包括苯、甲苯、苯乙烯、苯酚、氯苯酚和異丙醇。 除了加熱助焊劑的氣態成分外,還會產生大量顆粒,尺寸從 0.01 微米到 1.0 微米不等,稱為 樹脂煙霧. 已發現這些顆粒物質是呼吸道刺激物,也是敏感個體的呼吸道致敏物(Hausen、Krohn 和 Budianto,1990 年)。 在英國,空氣暴露標準要求將樹脂煙霧水平控制在可達到的最低水平(健康與安全委員會 1992)。 此外,美國政府工業衛生學家會議 (ACGIH) 已為松香芯焊料的熱解產物單獨設定了 0.1 mg/m 的閾值限值3, 以甲醛測量 (ACGIH 1994)。 Lead Industries Association, Inc. 將丙酮、甲醇、脂肪醛(以甲醛測量)、二氧化碳、一氧化碳、甲烷、乙烷、松香酸和相關的二萜酸確定為松香芯焊接的典型分解產物(Lead Industries Association 1990 ).
有機助焊劑
有機助焊劑,有時稱為中間助焊劑或水溶性助焊劑,是一種複合材料,比金屬加工行業中使用的松香助焊劑活性更高,腐蝕性比酸性助焊劑低。 此類助焊劑的一般活性化合物分為三組:
這些材料和配方的其他部分,例如有助於降低焊料表面張力的表面活性劑,溶解在聚乙二醇、有機溶劑、水或通常是其中幾種的混合物中。 有機助焊劑必須被認為具有腐蝕性,但可以很容易地清洗掉,只需要熱水。
合成活化 (AS) 助焊劑
松香基助焊劑是溶解在溶劑中的固體材料,而 AS 助焊劑通常完全是液體配方(溶劑 + 助焊劑)。 溶劑載體在波峰焊的預熱階段被去除,在 PWB 表面留下潮濕和油膩的殘留物,必須在焊接後立即清除。 AS 助焊劑的主要屬性是它們能夠通過使用合適的溶劑(通常是碳氟化合物溶劑)去除。 隨著碳氟化合物(Freon TF、Freon TMS 等)等破壞臭氧層物質的使用限制,這些清潔材料的使用要求嚴重限制了此類助焊劑的使用。
低固體“免清洗”或無 VOC 助焊劑
消除使用碳氟化合物溶劑對腐蝕性或粘性助焊劑殘留物進行焊接後清潔的需要導致了新型助焊劑的廣泛使用。 這些助焊劑的活性與 RMA 助焊劑相似,固體含量約為 15%。 固體含量是粘度的量度並且等於助熔劑與溶劑的比率。 固體含量越低,溶劑的百分比越高。 固體含量越高,助焊劑越活躍,就越有可能需要進行焊接後清潔步驟。 低固體助焊劑 (LSF) 通常用於電子行業,通常不需要後清洗步驟。 從環境空氣排放的角度來看,LSF 消除了對波峰焊板進行氟碳蒸汽脫脂的需要,但由於溶劑含量較高,它們增加了酒精類溶劑的蒸發量,從而導致更高的 VOC 水平。 VOC 空氣排放水平在美國和全球許多地方都受到嚴格控制。 這種情況是通過引入“免清洗”助焊劑來解決的,這些助焊劑是水基的(而不是溶劑基的),但含有類似的活化劑和助熔松香。 主要活性成分是基於二羧酸(2 至 3%), 通常是戊二酸、琥珀酸和己二酸。 表面活性劑 緩蝕劑 (約 1%)也包括在內,導致 pH(酸度)為 3.0 至 3.5。 這些助焊劑幾乎消除了與使用溶劑型助焊劑相關的 VOC 空氣排放和其他 EHS 危害。 松香基助焊劑中的分解產物仍然適用,溫和的 pH 值確實要求助焊劑處理設備耐酸。 一些軼事證據表明,乾燥的弱酸性二羧酸和腐蝕抑製劑可能會導致潛在的皮膚或呼吸問題,這些物質可能會殘留在使用這些化合物的載具、手推車和波峰焊設備的內表面上。 此外,這些助焊劑中的水成分在接觸到熔化的焊料罐之前可能無法充分蒸發,這可能導致熱焊料飛濺。
波峰焊
可以通過位於波峰焊接單元內部的助焊劑或波峰焊接單元入口處的獨立單元來完成向 PWB 底面添加助焊劑。 圖 2 提供了標準波峰焊裝置的示意圖,助焊劑位於內部。 兩種配置都用於將助焊劑發泡或噴塗到 PWB 上。
圖 2. 波峰焊裝置示意圖
預熱
助焊劑載體必須在焊接前蒸發。 這是通過使用高溫預熱器去除液體成分來實現的。 使用的預熱器有兩種基本類型:輻射式(熱棒)和容積式(熱空氣)。 輻射加熱器在美國很常見,如果在預熱器下固定不動,則可能會點燃過量的助焊劑或溶劑或 PWB 分解。 在波峰焊裝置的助焊劑/預熱器側提供局部排氣通風,以捕獲和排出在這些操作期間蒸發的溶劑/助焊劑材料。
焊接
焊料合金(通常為 63% 的錫和 37% 的鉛)包含在一個稱為 焊錫鍋, 並被電加熱以保持焊料處於熔融狀態。 加熱器包括一個強大的大容量加熱器來進行初始熔化和一個較小的調節熱源來恆溫控制溫度。
成功的板級焊接要求焊錫鍋和再循環泵系統的設計持續提供一致的新鮮焊料“波浪”。 焊接時,純焊料會被氧化的鉛/錫化合物、金屬雜質和助焊劑分解產物污染。 這個 浮渣 在熔融焊料的表面形成,並且形成的熔渣越多,越有可能額外形成熔渣。 熔渣對焊接工藝和波峰焊有害。 如果鍋中形成足夠多的顆粒,它可能會被拉入再循環泵並導致葉輪磨損。 要求波峰焊操作員去熔渣 常規的波浪。 該過程涉及操作員從熔融焊料中濾出凝固的銲渣並收集殘留物以進行回收/再循環。 除渣過程涉及操作員物理打開靠近焊料鍋的後檢修門(通常是灣翼配置)並手動挖出熱渣。 在此過程中,罐中會釋放出可見的排放物,這些排放物對操作員的眼睛、鼻子和喉嚨具有高度刺激性。 操作人員需要佩戴隔熱手套、圍裙、安全眼鏡和麵罩以及呼吸保護裝置(針對鉛/錫微粒、腐蝕性氣體(HCl)和脂肪醛(甲醛))。 波峰焊裝置內部提供局部排氣通風,但焊錫鍋是從主機櫃中機械抽出的,以便操作員可以直接接觸到熱鍋的兩側。 一旦撤回,安裝在機櫃中的局部排氣管就無法有效去除釋放的材料。 主要的健康和安全危害是:熱焊料造成的熱灼傷、呼吸接觸上述材料、處理沉重的焊料錠和浮渣桶造成的背部受傷以及在維護活動期間接觸鉛/錫焊料殘留物/細顆粒物。
在實際的焊接過程中,由於在波峰的助焊劑和焊錫鍋側提供局部排氣通風,通道門關閉並且波峰焊接單元的內部處於負壓下。 這種通風和焊錫鍋的工作溫度(通常為 302 至 316°C,剛好高於焊錫的熔點)導致鉛煙霧的形成最少。 鉛/錫顆粒的主要暴露發生在除渣和設備維護活動期間,從攪拌鍋中的渣滓,轉移到回收容器和清理焊料殘留物。 在除渣操作過程中會形成細小的鉛/錫顆粒,這些顆粒可能會釋放到波峰焊操作員的工作室和呼吸區。 已經設計了各種工程控制策略來最大限度地減少這些潛在的鉛顆粒暴露,包括將局部排氣通風納入回收容器(見圖 3),使用 HEPA 真空吸塵器清除殘留物,以及帶有鉸接臂的柔性排氣管以定位除渣時在火鍋處通風。 禁止使用掃帚或刷子清掃焊料殘留物。 還必須要求嚴格的內務管理和個人衛生習慣。 在波峰焊設備維護操作期間(每週、每月、每季度和每年進行一次),熱鍋的各種組件要么在設備內清潔,要么在局部排氣罩中拆除和清潔。 這些清潔操作可能涉及物理刮擦或機械清潔(使用電鑽和鋼絲刷附件)焊料泵和擋板。 機械清潔過程中會產生大量鉛顆粒,該過程應在局部排氣的封閉空間內進行。
圖 3. 帶真空蓋的浮渣車
檢查、修補和測試
視覺檢查和修補功能是在波峰焊後進行的,涉及使用放大鏡/工作燈對缺陷進行精細檢查和修補。 潤色功能可能涉及使用 焊條 手持烙鐵和松香芯焊料或刷上少量液體助焊劑和鉛/錫線焊料。 棒焊產生的可見煙霧涉及助焊劑的分解產物。 少量未粘附在焊點上的鉛/錫焊珠可能會帶來清潔和個人衛生問題。 應提供靠近工作站的風扇,用於遠離操作員呼吸區的一般稀釋通風,或者應提供更複雜的排煙系統,以捕獲烙鐵尖端或操作附近的分解產物。 然後將煙氣輸送到空氣洗滌器排氣系統,該系統結合了用於微粒的 HEPA 過濾和用於脂族醛和鹽酸氣體的活性炭氣體吸附。 這些焊接排氣系統的有效性在很大程度上取決於捕獲速度、與煙霧產生點的接近程度以及工作表面是否有交叉氣流。 完成的 PCB 的電氣測試需要專門的測試設備和軟件。
返工和維修
根據電路板測試的結果,評估有缺陷的電路板是否存在特定組件故障並進行更換。 電路板的這種返工可能涉及棒焊。 如果 PCB 上的主要組件(如微處理器)需要更換, 返修錫鍋 用於將裝有缺陷元件或接頭的電路板部分浸入小焊錫鍋中,取出元件,然後將新的功能元件重新插入電路板。 如果組件更小或更容易移除,則 真空吸塵器 採用熱空氣加熱焊點和真空去除焊料的系統。 返工焊錫鍋安裝在一個局部排氣的外殼內,該外殼提供足夠的排氣速度以捕獲液體焊料刷在電路板上並形成焊料接觸時形成的助焊劑分解產物。 該鍋還會形成浮渣,需要去浮渣設備和程序(規模要小得多)。 空氣真空系統不需要安裝在外殼內,但去除的鉛/錫焊料必須作為危險廢物處理並回收/循環利用。
支持操作——模板清潔
PCB 組裝過程的第一步涉及使用模板為鉛/錫焊膏提供粘合位置圖案,以便將其擠出。 通常,模板的開口開始堵塞,鉛/錫焊膏殘留物必須按班次清除。 通常在絲網印刷機上進行預清潔,通過用稀釋的酒精混合物和一次性抹布擦拭電路板表面來捕獲電路板上的嚴重污染物。 要完全去除剩餘的殘留物,需要進行濕法清潔。 在類似於大型洗碗機的系統中,使用熱水 (57°C) 和稀釋脂肪胺(單乙醇胺)的化學溶液以化學方式從模板上去除焊膏。 大量的鉛/錫焊料從電路板上洗掉,並沉積在清洗室中或溶解在廢水中。 這種流出物需要過濾或化學去除鉛,並針對腐蝕性脂肪胺(使用鹽酸)調整 pH 值。 較新的封閉系統鋼網清洗機使用相同的清洗液直到用完。 將溶液轉移至蒸餾裝置,蒸出揮發物直至形成半液體殘留物。 然後將此殘留物作為鉛/錫污染的危險廢物處理。
電腦組裝過程
一旦最終的 PCB 組裝完成,它就會被轉移到系統組裝操作中,以整合到最終的計算機產品中。 這種操作通常是非常勞動密集型的,要組裝的零部件沿著機械化裝配線供應到分段推車上的各個工作站。 主要的健康和安全隱患與材料移動和分級(叉車、手動提升)、裝配過程的人體工程學影響(運動範圍、“設置”組件所需的插入力、螺釘和連接器的安裝)和最終包裝有關,收縮包裝和運輸。 典型的計算機組裝過程包括:
組裝過程中可能使用的唯一化學品涉及計算機機箱或顯示器的最終清潔。 通常,使用異丙醇和水的稀釋溶液或清潔劑的市售混合物(例如,Simple Green——一種稀釋的丁基溶纖劑和水溶液)。
作為一個新興行業,半導體製造通常被視為高科技工作場所的縮影。 由於與在矽晶片上生產多層微米級電子電路相關的嚴格製造要求,潔淨室環境已成為該行業工作場所的代名詞。 由於半導體製造中使用的某些氫化物氣體(例如胂、磷化氫)很早就被認為是劇毒化學品,因此吸入暴露控制技術一直是晶圓製造的重要組成部分。 半導體工人通過穿著覆蓋全身的特殊服裝(例如長袍)、頭套、鞋套以及經常戴的面罩(甚至是供氣式呼吸器),進一步與生產過程隔離開來。 從實際的角度來看,雇主對產品純度的關注也導致了工人接觸保護。
除了個人防護服外,整個半導體行業還使用高度複雜的通風和化學/氣體空氣監測系統來檢測百萬分之一 (ppm) 或更低的有毒化學溶劑蒸汽、酸和氫化物氣體的洩漏。 儘管從歷史的角度來看,由於實際或疑似氣體或溶劑洩漏,該行業經常發生工人從晶圓製造室疏散的情況,但由於在通風系統設計、有毒氣體方面的經驗教訓,此類疏散事件已成為罕見事件/化學品處理和具有連續空氣採樣功能的日益複雜的空氣監測系統。 然而,單個矽晶圓的貨幣價值不斷增加(連同晶圓直徑不斷增加),其中可能包含數十個單獨的微處理器或存儲設備,可能會給在製造過程中必須手動操作這些晶圓容器的工人帶來精神壓力。 在對半導體工人的研究中獲得了這種壓力的證據(Hammond 等人,1995 年;Hines 等人,1995 年;McCurdy 等人,1995 年)。
半導體行業起源於美國,美國是半導體行業工人人數最多的國家(225,000 年約為 1994 人) (美國勞工統計局 1995 年)。 然而,由於大多數國家的統計數據中都包括了半導體工人和“電氣/電子設備製造”工人,因此很難獲得該行業的有效國際就業估計數。 由於半導體器件製造需要高度嚴格的工程控制,因此半導體工作場所(即潔淨室)在大多數方面很可能在全世界具有可比性。 這種理解,再加上美國政府要求記錄美國工人中所有與工作相關的重大工傷和疾病,使得美國半導體工人的工傷和疾病經歷在國家和國際範圍內成為一個高度相關的問題。 簡單地說,目前除了美國勞工統計局 (BLS) 的職業傷害和疾病年度調查外,很少有國際來源提供有關半導體工人安全和健康體驗的相關信息和數據。
在從1972年開始收集所有行業工傷和疾病數據的美國,半導體工人的工傷和疾病發生頻率一直是所有製造業中最低的。 然而,有人表示擔心半導體工人可能會出現更微妙的健康影響 (LaDou 1986),儘管這種影響還沒有被記錄下來。
已經召開了幾次關於半導體行業控制技術評估的研討會,其中有幾篇研討會論文涉及環境和工人安全與健康問題(ACGIH 1989,1993)。
國際半導體製造界的有限數量的工傷和疾病數據是通過 1995 年進行的一項特別調查得出的,涉及 1993 年和 1994 年報告的案例。這些調查數據總結如下。
半導體工人的工傷和疾病
關於與半導體工人工傷和疾病相關的國際統計數據,唯一可比較的數據似乎來自 1995 年對跨國半導體製造業務進行的調查(Lassiter 1996)。 本次調查收集的數據涉及美國半導體製造商在 1993-94 年間的國際業務。 調查中的一些數據包括半導體製造以外的業務(例如,計算機和磁盤驅動器製造),儘管所有參與的公司都涉及電子行業。 本次調查的結果如圖 1 和圖 2 所示,其中包括來自亞太地區、歐洲、拉丁美洲和美國的數據。 每個案例都涉及需要醫療或工作損失或限制的與工作有關的傷害或疾病。 圖中的所有發生率均按每年每 200,000 個工作小時的病例數(或損失的工作日數)計算。 如果無法獲得總工時,則使用年均就業估計數。 200,000 工時分母等於每年 100 個全職當量工人(假設每個工人每年工作 2,000 小時)。
圖 1. 1993 年和 1994 年世界各部門的工傷和疾病發生率分佈。
圖 2. 1993 年和 1994 年世界各部門因休假造成的傷害和疾病發生率分佈
圖 1 描述了 1993-94 年調查中世界各個地區的工傷和疾病發生率。 個別國家的比率沒有包括在內,以確保參與公司的機密性,這些公司是某些國家的唯一數據來源。 因此,對於調查中的某些國家,僅報告了一個設施的數據。 在一些情況下,公司將所有國際數據合併為一個統計數據。 後面這些數據在圖 1 和圖 2 中列為“組合”。
3.3 年和 100 年,國際調查中所有工人的年工傷和疾病發生率為每 200,000 名員工 1993 例(2.7 工時),1994 年為 12,615 例。1993 年和 12,368 年分別報告了 1994 例和 12,130 例。絕大多數案件(1993 年為 387,000 起)來自美國公司。 這些案件在 1993 年與大約 458,000 名工人有關,在 1994 年與 XNUMX 名工人有關。
圖 2 顯示了涉及曠工天數的損失工作日案例的發生率。 1993 年和 1994 年的發生率是基於國際調查中 4,000 年每年大約 2 個誤工案例。 該統計數據的國際/區域發病率範圍是所測量的範圍內最窄的。 損失工作日案例的發生率可能代表了關於工人安全和健康經驗的最具可比性的國際統計數據。 在這 15.4 年的每一年中,損失工作日(缺勤天數)的發生率約為每 100 名工人缺勤 2 天。
關於半導體工人受傷和生病的案例特徵,已知的唯一詳細數據是 BLS 每年在美國彙編的數據,涉及損失工作日的案例。 此處討論的案例由 BLS 在 1993 年的年度調查中確定。從這些案例中獲得的數據顯示在圖 3、圖 4、圖 5 和圖 6 中。每個圖都比較了私營部門損失工作日的案例經驗,所有製造業和半導體製造業。
圖 3. 誤工案例的比較發生率1 按事件或曝光類型分類,1993 年
圖 4. 損失工作日案例的比較發生率1 按傷害或疾病的來源,1993 年。
圖 5. 損失工作日案例的比較發生率1 按受傷或疾病的性質,1993 年。
圖 6. 1993 年按受影響身體部位劃分的誤工案例比較發生率
圖 3 比較了 1993 年美國半導體工人與私營部門和所有製造業在事件類型或暴露方面的損失工作日案例經驗。 該圖中大多數類別的半導體行業工人的發病率遠低於私營部門或所有製造業的發病率。 涉及半導體工人過度勞累的案例不到製造業所有工人的一半。 有害接觸類別(主要與接觸化學物質有關)在所有三組中是相同的。
圖 4 顯示了根據受傷或疾病來源劃分的誤工案例的比較分佈。半導體工人的誤工案例發生率低於私營部門和所有來源類別的所有製造業,與接觸化學品相關的案例除外物質。
圖 5 比較了三組中與受傷或疾病性質相關的誤工案例發生率。 1993 年,半導體工人的比率不到私營部門和所有製造業比率的一半。半導體工人的化學灼傷發生率略高,但所有三個比較組的發生率都非常低。 美國半導體工人的腕管綜合症 (CTS) 發病率不到所有製造業工人的一半。
在圖 6 中,按受影響的身體部位說明了涉及缺勤天數的病例的分佈和發生率。 儘管所有比較組涉及身體系統的病例發生率都很低,但半導體工人的發生率略有升高。 與其他兩個比較組相比,半導體工人受影響的所有其他身體部位要低得多。
半導體工人的流行病學研究
1983 年,當 Digital Equipment Corporation 位於馬薩諸塞州哈德遜的半導體工廠的一名女員工表示,她認為該工廠潔淨室的員工中發生過多流產時,人們開始擔心與半導體就業相關的生殖健康後果。 這一指控,加上設施內部數據的缺失,導致位於阿默斯特的馬薩諸塞大學公共衛生學院 (UMass) 開展了一項流行病學研究。 該研究於 1984 年 1985 月開始,並於 1988 年完成(Pastides 等人,XNUMX 年)。
與設施其他區域的未暴露工人相比,在光刻區域和擴散區域均觀察到流產風險升高。 1.75 的相對風險被認為沒有統計學意義 (p <0.05),儘管在擴散區域的工人中觀察到的 2.18 相對風險是顯著的。 麻省大學研究的發表引起了整個半導體行業的關注,即有必要進行更大規模的研究來驗證觀察到的發現並確定其範圍和可能的因果關係。
美國半導體行業協會 (SIA) 贊助了加州大學戴維斯分校 (UC Davis) 從 1989 年開始進行的一項更大規模的研究。加州大學戴維斯分校的研究旨在檢驗半導體製造與風險增加相關的假設女性晶圓製造員工的流產率。 研究對象選自代表 14 個州的 42 個生產基地的 17 家公司。 最多的站點(代表研究中近一半的員工)在加利福尼亞州。
加州大學戴維斯分校的研究由三個不同的部分組成:橫截面部分(McCurdy 等人,1995 年;Pocekay 等人,1995 年); 歷史隊列組成部分(Schenker 等人,1995 年); 和前瞻性成分(Eskenazi 等人,1995 年)。 每項研究的核心是暴露評估(Hines 等人,1995 年;Hammond 等人,1995 年)。 暴露評估部分將員工分配到相對暴露組(即高暴露、低暴露等)。
在研究的歷史部分,確定製造工人與非製造工人相比的相對風險為 1.45(即流產風險高出 45%)。 在該研究的歷史組成部分中確定的風險最高的群體是從事光刻或蝕刻操作的女性。 執行蝕刻操作的女性的相對風險為 2.15 (RR=2.15)。 此外,在使用任何光刻膠或顯影劑的女性中觀察到流產風險增加的劑量反應關係。 這些數據支持乙二醇醚 (EGE) 的劑量反應關聯,但不支持丙二醇醚 (PGE)。
儘管在加州大學戴維斯分校的前瞻性研究中觀察到女性晶圓製造工人的流產風險增加,但結果在統計學上並不顯著(p 小於 0.05)。 少數懷孕顯著降低了研究的前瞻性成分的功效。 通過接觸化學試劑進行的分析表明,那些使用乙二醇單乙醚的女性的風險增加,但僅基於 3 次懷孕。 一個重要的發現是對歷史部分的發現的普遍支持,而不是矛盾。
該研究的橫斷面部分指出,上呼吸道症狀的增加主要發生在擴散爐和薄膜工人組中。 一個有趣的發現是與人體工程學相關的各種工程控制的明顯保護作用(例如,腳踏板和使用可調節椅子以減少背部受傷)。
在晶圓廠進行的空氣測量發現,大多數溶劑暴露量低於美國政府規定的允許暴露限值 (PEL) 的 1%。
1996 年,約翰霍普金斯大學 (JHU) 進行了一項單獨的流行病學研究(Correa 等人,1989 年),涉及一組 IBM 公司的半導體員工。在 JHU 研究中觀察到的涉及潔淨室女工的總體流產率為 16.6%。 接觸乙二醇醚的可能性最高的潔淨室女性工人流產的相對風險為 2.8(95% CI = 1.4-5.6)。
涉及半導體工人的生殖流行病學研究討論
流行病學研究在結果的範圍和相似性方面是顯著的。 這些研究都產生了相似的發現。 每項研究都記錄了女性半導體晶圓製造工人自然流產(流產)的風險過高。 其中兩項研究(JHU 和加州大學戴維斯分校)可能表明與暴露於基於乙烯的乙二醇醚之間存在因果關係。 麻省大學的研究發現,照片組(暴露於乙二醇醚的那些)比擴散組的風險更低,擴散組沒有記錄在案的乙二醇醚暴露。 雖然這些研究表明晶圓製造工人自然流產的風險增加,但這種過高風險的原因尚不清楚。 JHU 的研究未能證明乙二醇醚的重要作用,而加州大學戴維斯分校的研究僅將乙二醇醚(通過暴露模型和自我報告的工作實踐)與生殖影響邊緣聯繫起來。 在這兩項研究中幾乎沒有進行任何監測以確定乙二醇醚的暴露情況。 完成這些研究後,半導體行業開始從乙烯系列乙二醇醚轉向替代品,例如乳酸乙酯和丙二醇系列乙二醇醚。
結論
根據有關工傷和疾病年度發生率的最佳可用數據,半導體工人的風險低於其他製造業或整個私營部門(包括許多非製造業)的工人。 在國際範圍內,與損失工作日案例相關的工傷和疾病統計數據似乎是全球半導體工人安全和健康體驗的一個相當可靠的指標。 該行業贊助了幾項獨立的流行病學研究,試圖找到與該行業就業相關的生殖健康後果問題的答案。 雖然觀察到的流產與暴露於基於乙烯的乙二醇醚之間的明確關聯尚未確定,但該行業已開始使用替代光刻膠溶劑。
行業概況
與其他行業相比,電子行業在環境影響方面被視為“清潔”行業。 儘管如此,電子零部件製造中使用的化學品以及產生的廢物造成了嚴重的環境問題,由於電子行業的規模,這些問題必須在全球範圍內加以解決。 印刷線路板(PWB)、印刷電路板(PCB)和半導體製造過程中產生的廢棄物和副產品是電子行業在污染防治、處理技術和回收/回收技術方面大力追求的領域.
在很大程度上,控制電子過程的環境足蹟的動機已經從環境推動力轉移到金融領域。 由於與危險廢物和排放相關的成本和責任,電子行業積極實施和開發環境控制,大大減少了其副產品和廢物的影響。 此外,電子行業已採取積極主動的方式將環境目標、工具和技術納入其具有環保意識的業務中。 這種主動方法的例子包括逐步淘汰 CFC 和全氟化物,開發“環境友好型”替代品,以及新興的“環境設計”產品開發方法。
PWB、PCB 和半導體的製造需要使用各種化學品、專門的製造技術和設備。 由於與這些製造過程相關的危害,化學副產品、廢物和排放物的適當管理對於確保行業員工的安全和保護他們所在社區的環境至關重要。
表 1、表 2 和表 3 概述了 PWB、PCB 和半導體製造過程中產生的主要副產品和廢物。 此外,表格還列出了環境影響的主要類型以及普遍接受的廢物流緩解和控制方法。 產生的廢物主要影響工業廢水或空氣,或成為固體廢物。
表 1. PWB 廢物產生和控制
工藝步驟 |
危險的 |
環境建議 |
Controls1 |
材料 |
與機身相同顏色 |
與機身相同顏色 |
與機身相同顏色 |
堆棧和引腳 |
重金屬/貴金屬 |
固體垃圾2 |
回收/回收 |
鑽孔 |
重金屬/貴金屬 |
固體垃圾2 |
回收/回收 |
去毛刺 |
重金屬/貴金屬 |
固體垃圾2 |
回收/回收 |
化學鍍 |
金屬 |
廢水 |
化學沉澱 |
Imaging |
溶劑類 |
空運 |
吸附、冷凝或 |
花紋電鍍 |
腐蝕性物質 |
廢水/空氣 |
pH值中和/空氣洗滌 |
剝離,蝕刻,剝離 |
氨 |
空運 |
空氣洗滌(吸附) |
阻焊層 |
腐蝕性物質 |
空運 |
空氣洗滌(吸附) |
焊料塗層 |
溶劑類 |
空運 |
吸附、冷凝或 |
鍍金 |
腐蝕性物質 |
空運 |
空氣洗滌(吸附) |
元件 |
溶劑類 |
空運 |
吸附冷凝或 |
1. 緩解控制的使用取決於特定位置的排放限制。
2. 固體廢物是指任何被丟棄的材料,無論其狀態如何。
工藝步驟 |
危險的 |
環境建議 |
Controls |
清潔 |
金屬(鉛) |
廢水 |
pH中和,化學 |
焊錫膏 |
焊膏(鉛/錫) |
固體垃圾 |
回收/回收 |
膠粘劑 |
環氧膠 |
固體垃圾 |
焚化 |
元件 |
塑料帶、捲軸和管 |
||
粘合劑固化和 |
|||
助焊劑 |
溶劑(IPA助焊劑) |
固體垃圾 |
回收 |
波峰焊 |
金屬(銲渣) |
固體垃圾 |
回收/回收 |
檢查和 |
金屬 |
固體垃圾 |
回收/回收 |
測試 |
報廢人口 |
固體垃圾 |
回收/回收 |
返工和 |
金屬(銲渣) |
固體垃圾 |
回收/回收 |
支持 |
金屬 |
固體垃圾 |
回收/焚燒 |
工藝步驟 |
危險的 |
環境建議 |
Controls |
光刻/蝕刻 |
溶劑類 |
固體垃圾 |
回收/回收/焚燒 |
氧化 |
溶劑類 |
固體垃圾 |
回收/回收/焚燒 |
興奮劑 |
毒氣(胂、 |
空運 |
用液體代替 |
化學氣相沉積 |
金屬 腐蝕性物質 |
固體垃圾 |
焚化 |
金屬化 |
溶劑類 |
固體垃圾 |
焚化 |
組裝和測試 |
溶劑類 |
固體垃圾 |
回收/回收/焚燒 |
清潔 |
腐蝕性物質 |
廢水 |
pH值中和 |
以下是 PWB、PCB 和半導體行業公認的減少排放的方法。 選擇的控制將根據工程能力、監管機構要求和廢物流的具體成分/濃度而有所不同。
廢水控制
化學沉澱
化學沉澱通常用於從廢水流出物中去除顆粒物或可溶性金屬。 由於金屬不會自然降解並且在低濃度下有毒,因此從工業廢水中去除它們是必不可少的。 金屬不易溶於水,因此可以通過化學方法從廢水中去除; 它們的溶解度取決於 pH 值、金屬濃度、金屬類型和其他離子的存在。 通常,廢物流需要將 pH 值調整到適當的水平以沉澱出金屬。 需要向廢水中添加化學品以努力改變溶解和懸浮固體的物理狀態。 通常使用石灰、苛性鹼和硫化物沉澱劑。 沉澱劑有助於通過沉澱物內的凝結、沉降或截留來去除溶解和懸浮的金屬。
廢水化學沉澱的結果是污泥的積累。 因此,開發了脫水工藝以通過離心機、壓濾機、過濾器或乾燥床來減輕污泥的重量。 然後可以將所得脫水污泥送去焚燒或填埋。
pH值中和
pH(氫離子濃度或酸度)是工業廢水的重要質量參數。 由於天然水體和污水處理操作中極端 pH 值的不利影響,工業廢水的 pH 值必須在從製造設施排放之前進行調整。 處理髮生在一系列水箱中,這些水箱被監測廢水流出物的氫離子濃度。 通常,鹽酸或硫酸用作中和腐蝕劑,氫氧化鈉用作中和腐蝕劑。 將中和劑計量加入廢水流出物中,以將排放物的 pH 值調節至所需水平。
在應用其他廢水處理工藝之前,通常需要調整 pH 值。 這些過程包括化學沉澱、氧化/還原、活性炭吸附、汽提和離子交換。
固體廢物控制
如果材料被丟棄或丟棄,則它們是固體廢物; 燃燒或焚燒; 在被遺棄之前或代替被遺棄之前積累、儲存或處理(美國聯邦法規第 40 條,第 261.2 節)。 危險廢物通常具有以下一種或多種特性:可燃性、腐蝕性、反應性、毒性。 根據危險材料/廢物的特性,使用各種方法來控制該物質。 焚燒是 PWB、PCB 和半導體製造過程中產生的溶劑和金屬廢物的常見處理方法。
焚化
焚燒(加力燃燒器)或熱銷毀已成為處理可燃和有毒廢物的流行選擇。 在許多情況下,可燃廢物(溶劑)被用作熱力和催化焚化爐的燃料來源(混合燃料)。 適當焚燒溶劑和有毒廢物可以使燃料完全氧化,並將可燃材料轉化為二氧化碳、水和灰燼,從而不會留下與殘留危險廢物相關的責任。 常見的焚燒類型是熱焚燒爐和催化焚燒爐。 焚燒方法類型的選擇取決於燃燒溫度、燃料特性和停留時間。 熱焚燒爐在高溫下運行,廣泛用於鹵代化合物。 熱能焚化爐的類型包括迴轉窯、液體噴射、固定爐床、流化床和其他先進設計的焚化爐。
催化焚燒爐通過催化劑床注入加熱氣流來氧化可燃材料(例如,VOC)。 催化劑床使表面積最大化,並且通過將加熱的氣流注入催化劑床,燃燒可以在比熱焚燒更低的溫度下發生。
廢氣排放
焚燒也用於控制空氣排放。 吸收和吸附也被使用。
吸收
空氣吸收通常用於洗滌腐蝕性氣體排放物,方法是讓污染物通過並將其溶解在非揮發性液體(例如水)中。 吸收過程的流出物通常被排放到廢水處理系統,在那裡進行 pH 值調節。
吸附
吸附是氣體分子粘附(通過物理或化學力)到另一種物質(稱為吸附劑)的表面。 通常,吸附用於從空氣排放源中提取溶劑。 活性炭、活性氧化鋁或矽膠是常用的吸附劑。
回收
可回收材料作為工業過程中的成分被使用、再利用或回收以製造產品。 材料和廢物的回收提供了有效解決特定類型廢物流(例如金屬和溶劑)的環境和經濟手段。 材料和廢物可以在內部回收,二級市場也可以接受可回收材料。 選擇回收作為廢物的替代品必鬚根據財務考慮、監管框架和回收材料的現有技術進行評估。
未來方向
隨著污染防治需求的增加以及工業界尋求具有成本效益的方法來解決化學品的使用和廢物問題,電子工業必須評估新的工藝和技術,以改進危險材料處理和廢物產生的方法。 末端方法已被環境技術設計所取代,環境問題在產品的整個生命週期中得到解決,包括:材料保護; 高效的製造運營; 使用更環保的材料; 廢品的回收、再生和回收; 以及許多其他技術,這些技術將確保對電子製造業的環境影響較小。 一個例子是在微電子行業的許多漂洗和其他處理步驟中使用了大量的水。 在缺水地區,這迫使該行業尋找替代品。 但是,必須確保替代品(例如溶劑)不會產生額外的環境問題。
作為 PWB 和 PCB 工藝未來發展方向的一個例子,表 4 展示了用於創造更環保的實踐和防止污染的各種替代方案。 確定了優先需求和方法。
表 4. 優先需求矩陣
優先需求(遞減 |
途徑 |
選定的任務 |
更高效的使用, |
延長電解壽命 |
延長洗澡時間的研究。 |
減少產生的固體廢物 |
開發和推廣 |
發展基礎設施以 |
建立更好的供應商 |
推廣供應商, |
開發一個模型危險 |
盡量減少影響 |
減少鉛焊料的使用 |
更改規格以接受 |
使用增材工藝 |
開發簡化, |
合作項目以 |
消除 PWB 中的孔污跡 |
開發無塗抹樹脂或 |
調查替代方案 |
減少用水量 |
發展用水 |
修改規格以減少 |
資料來源:MCC 1994。
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