蝕刻硅晶片和(PE)CVD腔室清洗的生命周期環(huán)境影響

半導(dǎo)體和光伏產(chǎn)業(yè)使用氟化氣體來蝕刻硅晶片和(PE)CVD室清潔，期望的結(jié)果是由于F原子和其他活性物質(zhì)，但是未分解的PFC(全氟)氣體的排放是不希望的，因為它們具有高的全球變暖效應(yīng)和高的大氣壽命。在這項研究中，我們?nèi)A林科納使用了全生命周期評估，以便比較不同技術(shù)的環(huán)境影響，以及指出改進(jìn)方案。

生命周期中的步驟如下:化合物的合成、運輸、在工廠中的分配(氣瓶的連接)、在工藝中的使用、消除以銷毀未反應(yīng)的氣體以及氣瓶的回收，每個步驟的排放可以是直接的(來自氟化氣體的排放)或間接的(來自能源使用)。

部分基于最佳猜測的結(jié)果表明，合成過程中氟化氣體的逃逸性排放、減排系統(tǒng)的停工期和未完全清空的鋼瓶的清潔主導(dǎo)了生命周期全球變暖效應(yīng)，這意味著氣體本身的全球變暖效應(yīng)決定了對SF6的影響最大，F(xiàn)2被證明明顯優(yōu)于其它氟化化合物，因為它的全球變暖潛能值為零，且合成努力適中，最大限度地減少氟化氣體的使用和排放的可能改進(jìn)方案是(1)嚴(yán)格的氣瓶連接程序，(2)完全使用或可靠地消除瓶中的氣體，(3)回收或可靠地消除工藝中未使用的氣體，以及(4)工藝的終點檢測。

圖1顯示了給出總體二氧化碳當(dāng)量排放量的標(biāo)準(zhǔn)情景，它顯示了在現(xiàn)場GWP效應(yīng)以六氟化硫 > 四氟化碳 > 三氟化氮 >> F2的順序遞減，然而合成和氣瓶回收過程中未過濾排放的估計非常保守，而生產(chǎn)使用過程中未過濾排放的貢獻(xiàn)可以更精確地估計。

因此，我們?nèi)A林科納準(zhǔn)備了第二種方案，在合成和氣缸返回過程中，對未過濾的排放物采用不太保守的假設(shè)，為了預(yù)測未來的改進(jìn)，應(yīng)該有一種趨勢，即在未來的生產(chǎn)中，通過對現(xiàn)有設(shè)施進(jìn)行改造，大幅增加全氟化碳的減排比例。然后，基于給出的流量數(shù)據(jù)，將導(dǎo)出的值應(yīng)用于四氟化碳、三氟化氮和F2室清潔配方之間的比較。

使用標(biāo)準(zhǔn)假設(shè)的方案顯示了生產(chǎn)中使用的主要影響，這種影響是由于未過濾的釋放，主要有兩個原因:首先，相當(dāng)一部分工廠沒有配備PFC設(shè)備，其次，安裝的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備有很長的停機時間，導(dǎo)致在停機期間PFC的滑動，由于這些數(shù)字是基于安裝經(jīng)驗，因此可以認(rèn)為它們具有代表性。關(guān)于化學(xué)合成和鋼瓶回收的數(shù)據(jù)質(zhì)量不太精確，所以標(biāo)準(zhǔn)方案是基于保守的數(shù)字，假設(shè)后兩種來源的排放量更多(增加了3倍),則可獲得下圖。

據(jù)觀察，總排放量增加了20%,并且在生產(chǎn)使用過程中，未過濾的排放量仍然占主導(dǎo)地位，為了估計未來開發(fā)可能獲得的最低排放量，通過減少使用過程中的排放進(jìn)行了改進(jìn)。假設(shè)未減排的晶圓廠數(shù)量減少10倍，減排后未過濾的排放量減少5倍，而通過使用資源導(dǎo)致二氧化碳當(dāng)量排放量的減排努力增加5倍，其他保持不變，這一套假設(shè)肯定是樂觀的，它顯著降低了總排放量，并且改變了對總排放量的相對貢獻(xiàn)權(quán)重。

獨立于所有這些假設(shè)，F(xiàn)2現(xiàn)場發(fā)電是迄今為止最生態(tài)的解決方案，除了基于kg CO2/kg PFC的考慮之外，使用氣體CF4、NF3和F2的清潔步驟也分別需要不同量(流量和時間)的相應(yīng)氣體，基于給出的數(shù)據(jù)，進(jìn)行了以下比較，假設(shè)過度蝕刻是適度的(< 10%)，或者使用終點檢測來避免工藝中更高的排放，在引用的研究中，氟/惰性氣體混合物取自瓶子，這一事實對于工藝結(jié)果和消耗并不重要，當(dāng)通過現(xiàn)場生產(chǎn)提供所討論的氟時，它也可以用于評估環(huán)境影響。

所用CF4和NF3的流速由工具制造商給出，F(xiàn)2混合物由調(diào)查人員優(yōu)化，評估中未包括的事實是，在這些環(huán)境和流量下，F(xiàn)2混合物顯示出最高的蝕刻速率，而CF4氣體最低，因此，如果適用，可以減少F2的流量，或者必須增加CF4的流量，以達(dá)到相同的性能結(jié)果?？紤]到這一點，距離會更大，因為這種變化會偏離制造商的配方，所以它沒有在排放的基礎(chǔ)上增加，可以清楚地看到(對數(shù)標(biāo)度),在減排的基礎(chǔ)上，F(xiàn)2清潔比下一個最佳方案NF3清潔好20倍，如果不減少PFC，差距甚至?xí)?。盡管CF4作為PFC在kg的基礎(chǔ)上甚至略好于NF3，但是在引用的配方中所需的較高流量使得CF4清潔的總體GWP平衡比NF3清潔的差。這必須從一個應(yīng)用程序到另一個應(yīng)用程序逐例進(jìn)行檢查。

在引用的例子中使用的配方是典型的配方，在200mm晶片上使用舊設(shè)備，結(jié)果看起來很典型，但不一定與其他潛在的應(yīng)用相似，因此對于每個預(yù)期的應(yīng)用，必須檢查各個室清潔氣體的相對消耗，然而，F(xiàn)2的優(yōu)勢是巨大的，它將允許改進(jìn)大量的應(yīng)用。

盡管并非所有GWP排放量估算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)都準(zhǔn)確可用，但關(guān)于減排及其特性的最穩(wěn)定數(shù)據(jù)允許確定與太陽能和半導(dǎo)體行業(yè)使用全氟化碳相關(guān)的GWP排放量的主要部分，雖然SF6的影響最大，但長期使用的CF4的影響并不高于每公斤NF3的影響，只要在類似的過程中使用較少的NF3，那么NF3就有優(yōu)勢，正確設(shè)計具有高正常運行時間的工廠，并涵蓋工廠中的所有PFC源，是當(dāng)今顯著減少排放的關(guān)鍵，對于未來的下一步減少，必須審查合成和氣瓶返回，并配備更好的預(yù)防措施，防止未經(jīng)過濾的釋放，根據(jù)樂觀的假設(shè)對未來的預(yù)測顯示，盡管與今天相比大幅減少，但全氟化碳的使用會產(chǎn)生大量的GWP排放，F(xiàn)2現(xiàn)場發(fā)電優(yōu)于所有其他替代方案，但它不適合或至少不能替代當(dāng)今所有的應(yīng)用，F(xiàn)2現(xiàn)場發(fā)電廣泛替代傳統(tǒng)PFC應(yīng)用將對GWP減排產(chǎn)生最大效益。

審核編輯：符乾江