Борьба с загрязнением воздуха полупроводниковыми производствами на Тайване

Борьба с загрязнением воздуха полупроводниковыми производствами на Тайване

Выпуск 5 (6704) от 12 марта 2020 г.
РУБРИКА: ОБОРУДОВАНИЕ

Производство полупроводниковых приборов сопряжено с выбросами загрязняющих частиц, в том числе крайне малого размера. Риски для здоровья, связанные с их вдыханием, побудили большинство правительств установить соответствующие законодательные ограничения. Для обеспечения соблюдения этих требований, максимизации времени безотказной работы объекта и минимизации опасности для здоровья людей и окружающей среды необходимы специализированные инструментальные средства. Одна из проблем разработки эффективных решений по борьбе с выбросами тонкодисперсных частиц – ​недостаток методов точного измерения выбросов.

Технологические процессы полупроводниковой промышленности часто становятся причиной загрязнения воздуха твердыми частицами. Так, выбросы частиц могут происходить при эксплуатации оборудования для обработки технологических газов, отводимых от производственных инструментальных средств. Например, при удалении излишков силана, используемого для осаждения тонких кремниевых пленок, образуются мелкие частицы аморфного диоксида кремния. Загрязнение твердыми частицами негативно влияет не только на работу завода по обработке пластин, но и на здоровье как сотрудников предприятия, так и жителей близлежащих населенных пунктов. Эти частицы засоряют трубы подачи газов и жидкостей, становясь причиной дорогостоящих простоев, а при их попадании в среду завода во время операций по техническому обслуживанию растет риск повреждения как производственного оборудования, так и выпускаемой продукции. Вдыхание тонкодисперсных загрязняющих веществ сопряжено с большой опасностью для здоровья, в связи с чем правительства большинства стран установили нормативные ограничения, касающиеся объема и состава выбросов. Для обеспечения соблюдения этих требований, максимизации времени безотказной работы технологического оборудования и минимизации угроз для здоровья людей и безопасности окружающей среды уровень загрязнения должен жестко контролироваться, однако доступность и надежность методов точного измерения выбросов до сих пор представляет собой проблему, мешающую разработке эффективных решений.


Опасность для здоровья и технологические риски

Здоровье работников предприятий и людей, живущих вблизи производственных объектов, безусловно, один из главных приоритетов. Эпидемиологические исследования представили убедительные доказательства того, что твердые частицы становятся причиной воспалительных процессов в легких, системных воспалительных реакций, раздражения вегетативной нервной системы, гипертрофированных аллергических реакций, реакций на окислительный стресс и модификации белков. Кроме того, эти частицы подавляют иммунный ответ легких, воздействуют на сворачиваемость крови.

Аморфные частицы двуокиси кремния (кварц), образующиеся в процессе удаления технологических газов, используемых в производстве полупроводниковых приборов, оказывают гораздо меньшее влияние на функцию легких, чем кристаллические частицы, чаще встречающиеся в горнодобывающей и строительной промышленности. Однако аморфные частицы кварца, образующиеся в результате удаления силана, могут содержать кислоты или другие компоненты, адсорбированные на поверхности частиц, и представляют собой значительно большую опасность для здоровья, чем двуокись кремния сама по себе. Твердые частицы других оксидов, связанных с производством полупроводниковых приборов – ​такие как оксиды сурьмы, мышьяка, бария, хрома, кобальта, никеля, фосфора, теллура и селена, – ​несут в себе еще более серьезную угрозу.

Опасность для здоровья, связанная с вдыханием частиц, возрастает с уменьшением их размера. Ученые-экологи выделяют такие категории ультрадисперсных частиц, как PM10, PM2,5 и PM1, характеризующиеся максимальным диаметром менее 10, 2,5 и 1 мкм соответственно. Потенциальная опасность взвешенных частиц заключается в том, что они могут проникать в организм через дыхательные пути и легкие. Мелкие частицы PM2,5 и PM1, проникая в тонкие легочные структуры, способствуют снижению функции легких. Ультрадисперсные частицы PM0,1 способны проникать еще дальше и служить причиной воспалений, приводящих к онкологическим и сердечно-сосудистым заболеваниям.

Признавая опасность, создаваемую загрязнениями в виде твердых частиц, правительства регулируют их выбросы, и эти ограничения со временем становятся все жестче. В качестве примера можно рассмотреть нормативные ограничения суммарного количества взвешенных твердых частиц (TSP) PM10 и PM2,5, установленные на Тайване (табл. 1).


Таблица 1

Предельные значения суммарного числа взвешенных твердых частиц (PM10 и PM2,5) на Тайване

Загрязняющее вещество

Период осреднения

Уровень, мкг/м3

Суммарное количество взвешенных твердых частиц

24 часа

250

Годовой среднегеометрический

130

Эквивалентный диаметр менее 10 мкм

24 часа

125

Годовой среднегеометрический

65

Эквивалентный диаметр менее 2,5 мкм

24 часа

35

Годовой среднегеометрический

15


Действие различных частиц неодинаково. Так, диоксид кремния относительно нетоксичен, однако снижение концентрации других химических веществ, используемых в производстве полупроводников, может привести к образованию более опасных оксидов. Экологические нормативы вводятся с целью контроля воздействия на жителей населенных пунктов за пределами производственного объекта путем указания допустимых уровней выброса опасных соединений из трубы предприятия. Высота трубы и расстояние до ограждения по периметру устанавливаются с учетом местных условий, таких как скорость и направление ветра, так, чтобы способствовать рассеиванию и снижению концентрации загрязняющего материала. На рис. 1 приведены стандартные предельные значения выбросов оксидов различных элементов в зависимости от их токсичности. Информация, представленная в табл. 2, взята из законодательства Тайваня, регулирующего выбросы химических веществ стационарными источниками. В таблицу включены некоторые твердые соединения, представляющие интерес для полупроводниковой промышленности. Диапазон допустимых концентраций обусловлен следующими факторами: при одной вытяжной трубе высотой 30 м расстояние до ограждения составляет 50 м, а при наличии двух труб оно увеличивается до 130 м.



Источник: Semiconductor Digest

Рисунок 1. Многие химические элементы, используемые в полупроводниковом производстве, токсичны (цвет клеток соответствует предельно допустимой концентрации оксидов элементов в выбросах)

* Нормальный кубический метр (нм3) – внесистемная единица измерения количества вещества, которое в газообразном состоянии занимает один кубический метр при т. н. «нормальных условиях» (давление 760 мм рт. ст., что соответствует 101325 Па, и температура 0 °C), что отличается от принятого ИЮПАК системного понятия «стандартных условий» (давление 105 Па, температура 273,15 К, или 0 °C).


Таблица 2

Допустимые уровни выбросов соединений, используемых в производстве полупроводниковых приборов (концентрация в диапазоне 50–130 м от места выброса)

Соединение

Концентрация, мкг/м3

Хлорид аммония

44–115

Сурьма

2–6

Мышьяк (As) и его неорганические соединения

0,04–0,12

Органические соединения мышьяка

2,2–5,8

Соединения 6-валентного хрома (Cr), оксиды хрома

0,2–0,6

Кобальт (Co), пары и пыль

0,2–0,6

Гафний (Hf)

2,2–5,8

Индий (In) и его соединения

0,4–1,2

Растворимые соединения молибдена (Mo)

22–58

Никель (Ni) и его нерастворимые соединения

4,0–11,5

Никель (Ni) и его растворимые соединения

0,40–1,15

Фосфорная кислота (H3PO4)

4,4–5,9

Соединения селена (Se)

0,9–2,3

Тантал (Ta), металл и пылеобразный оксид

22–58

Олово (Sn), оксид

9–23

Диоксид титана (TiO2)

22–57

Нерастворимые соединения вольфрама (W)

22–57

Растворимые соединения вольфрама

4,4–11,5

Соединения циркония (Zr)

22–57


Точно так же, как конденсирующийся материал, осаждающийся в вакуумных линиях, может остановить производственный процесс, накопление образующихся при горении частиц может ухудшить производительность всего предприятия. В типичной системе борьбы с выбросами в местах их использования (point-of-use, POU) отработанные газы проходят через несколько этапов очистки, заключающихся в удалении твердых частиц и других побочных продуктов. В противном случае не исключены закупорки газовых труб, способные привести к достаточно длительным – ​несколько часов или даже дней – ​простоям. Кроме того, невозможность удалить твердые частицы на первичном этапе борьбы с загрязнением может стать причиной их выброса в окружающую среду и видимого шлейфа из труб.


Измерение частиц

Точное измерение твердых частиц необходимо не только для обеспечения соблюдения нормативных ограничений, но и для мониторинга выбросов и разработки эффективных решений по борьбе с ними на уровне оборудования. Малые частицы, PM2,5 и менее, обычно с трудом поддаются точному и многократному измерению. Любая измерительная технология, используемая для мониторинга выбросов и повышения производительности на системном уровне, должна отвечать ряду требований:

использовать методы, признанные на международном уровне;

быть достаточно портативной, чтобы с легкостью перемещаться из системы в систему;

легко устанавливаться в рабочую среду на уровне завода или участка завода и быть совместимой с ней, а также иметь возможность тестировать оборудование как в точке использования, так и в точке очистки в месте сброса (end-of-pipe, EOP), в конце вытяжного канала;

следовать лучшим рекомендациям по отбору проб – ​отбор проб предпочтительно осуществлять в трубопроводах подачи и отвода материалов, любые пробоотборные линии (от трубопровода до датчика) должны быть короткими;

измерять PM2,5 и TSP;

измерять концентрацию, массовый расход и состав загрязняющих частиц.

В одной из недавно опубликованных работ государственного НИИ промышленных технологий Тайваня (ITRI) была описана методика измерения и проверка ее применения при измерении выбросов твердых частиц из системы Edwards Atlas Helios (рис. 2) для уменьшения потоков силана на 1, 0,5 и 0 стандартных литров в минуту (slm). В установке Edwards Atlas Helios используется процесс внутреннего сгорания, основанный на превращении легковоспламеняющегося силана в аморфный диоксид кремния. Характер продуктов горения зависит от того, какой газ утилизируется. Образующиеся частицы могут быть гидрофильными или гидрофобными, их размер – ​от десятков нанометров до десятков микрометров. В системах Edwards Atlas Helios используются водяные затворы, быстрые охладители и насадочные скрубберы с микрокапельным распылением, которые эффективно удаляют более крупные твердые частицы из отработанного газа. Для эффективного удаления мелких частиц требуются альтернативные технологии.



Источник: ITRI

Рисунок 2. Система Edwards Atlas Helios


Для описанных испытаний в систему Edwards Atlas Helios был встроен жидкостный электростатический пылеуловитель (wet electrostatic precipitator, WESP). Для удаления частиц WESP использует электростатические силы.

Разработка соответствующих методов отбора проб была одним из основных условий получения точных измерений частиц. Пробы отбирались либо в вытяжном канале, либо непосредственно рядом с ним сразу после выхода из системы. Были разработаны специальные сопла и тщательно измерены скорости потока с использованием трассирующих газовых измерений, чтобы гарантировать, что скорость отбора проб была такой же, как скорость газа в канале. Соответствующие фильтры и циклонные уловители использовались для измерения TSP и PM2,5. Измерения TSP и PM2,5 производились путем взвешивания фильтров до и после отбора проб. Состав частиц может определяться путем выпаривания фильтров и анализа осажденных частиц с помощью масс-спектрометрии или других аналитических методов.

Ранее проводившиеся испытания показали, что только система Edwards Atlas Helios удаляла приблизительно 60–75% твердых частиц, причем более высокий показатель отражал эффективность после применения насадочных скрубберов с микрокапельным распылением. Новые испытания показали, что добавление WESP повысило эффективность удаления частиц системы до ~99,9% при 1 slm. При вводе 1 стандартного литра силана в минуту выбросы из Edwards Atlas Helios и WESP составляли ~2 мг/м3. При тех же условиях массовый выброс только из Edwards Atlas Helios составил бы ~1,5 кг в сутки, но добавление WESP снизило бы его до 3–4 г в сутки. Совпадение результатов измерений общего количества взвешенных частиц и PM2,5 показало, что все высвобожденные частицы имеют диаметр не более 2,5 мкм, что также обеспечивает достоверность методик. Отдельные лабораторные измерения с помощью электрического импактора низкого давления (ELPI) подтвердили, что почти все частицы были меньше 1 мкм.


Заключение

Контроль выбросов загрязняющих веществ, особенно в виде мелких частиц, очень важен из-за их влияния на здоровье человека. Чем меньше размер твердых частиц, тем дальше они могут проникать в человеческий организм, становясь причиной различных заболеваний – ​нарушения функции легких, рака и болезней сердца. Воздействие того или иного вещества на здоровье зависит от его токсичности. Специалисты ITRI разработали и продемонстрировали методику, основанную на международно признанных методах измерения количества как PM2,5, так и TSP, рассчитанную на портативное оборудование, которое может быть легко установлено в лаборатории полупроводникового предприятия. Добавление WESP в систему борьбы с выбросами повышает эффективность удаления частиц до ~99,9% (при обработке силана со скоростью 1 slm). Концентрация выбросов составляла ~2 мг/м3, а масса – ​всего 3–4 г в день. Согласованность между измерениями PM2,5 и TSP указывает на то, что все частицы составляют менее 2,5 мкм. Это дополнительно подтверждается измерениями ELPI, которые обнаруживают почти все частицы размером менее 1 мкм.


Chang Terry, Jones Chris, and Li Shou-Nan. Abating Potentially Dangerous Particles 2.5 µm and Smaller. Semiconductor Digest, February 3, 2020: https://www.semiconductor-digest.com/2020/02/03/abating-potentially-dangerous-particles‑2–5m-and-smaller/


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ