半导体行业生产中产生的气体汇总

点击：128，时间：2025-12-26 13:53

半导体制造是一个极其复杂和精密的工艺过程,涉及数百道工序。在整个生产过程中,会使用大量特种气体,并随之产生多种废气。这些气体根据其来源、性质和危害,主要可以分为以下几大类:

一、按工艺环节分类产生的气体

1. 薄膜沉积(CVD, PVD, ALD等)

• 使用气源:硅烷(SiH₄)、四氟化硅(SiF₄)、氨气(NH₃)、一氧化二氮(N₂O)、磷化氢(PH₃)、砷化氢(AsH₃)、六氟化钨(WF₆)、各种金属有机化合物(如TMB, TMA)等。

• 副产物/废气:未完全反应的上述气体、二氧化碳(CO₂)、氟化氢(HF)、氯化氢(HCl)、颗粒物等。

2. 光刻(Photolithography)

• 使用气源:光刻胶涂布和显影过程中会挥发有机溶剂(如PGMEA, ELA)。

• DUV/EUV光刻:在深紫外和极紫外光刻中,可能会产生微量的臭氧(O₃)和锡等离子体废气(EUV使用锡滴产生等离子体光源)。

3. 蚀刻/干法刻蚀(Dry Etching)

• 剧毒气体:硅与氯/氟反应生成的化合物,如四氟化硅(SiF₄)、氟化氢(HF)、氯化氢(HCl)。

• 温室气体:未完全分解的全氟化合物(PFCs,如CF₄, C₂F₆, C₄F₈, SF₆, NF₃),它们的全球变暖潜能值极高,是行业减排重点。

• 其他卤化物和颗粒物。

• 这是废气产生的重点环节。使用等离子体轰击晶圆表面,气体化学反应剧烈。

• 使用气源:氟基气体(如CF₄, C₂F₆, C₄F₈, SF₆, NF₃)、氯基气体(如Cl₂, BCl₃)、溴化氢(HBr)、氧气(O₂)等。

• 副产物/废气:

4. 离子注入(Ion Implantation)

• 使用气源:磷化氢(PH₃)、砷化氢(AsH₃)、三氟化硼(BF₃)、砷烷、乙硼烷(B₂H₆)等。

• 副产物/废气:未反应的上述剧毒、易燃、自燃性气体,以及它们与氢等反应生成的副产品。这是安全风险最高的环节之一。

5. 扩散/热处理(Thermal Process)

• 使用气源:氧气(O₂)、氮气(N₂)、氩气(Ar)、氢气(H₂)、氨气(NH₃)等。

• 副产物/废气:一般比较清洁,主要是未反应的气体。但若在含氢或氨气环境中,需要注意安全。

6. 化学机械抛光(CMP)

• 废气来源:主要是氨气(NH₃) 的挥发。CMP使用的研磨液常含有氨水,在工艺过程中会释放氨气。

7. 腔体清洗(Chamber Cleaning)

• 主要使用:三氟化氮(NF₃) 或 氟气(F₂),通过远程等离子体产生氟自由基,清除反应腔室内壁沉积的硅或金属薄膜。

• 副产物/废气:产生大量的四氟化硅(SiF₄)、氟化氢(HF) 以及未反应的NF₃或F₂。

二、按气体危害性质分类

1. 剧毒、高致命性气体

• 砷化氢(AsH₃)、磷化氢(PH₃):用于离子注入和掺杂,极低浓度即可致命。

• 硅烷(SiH₄):除了有毒,还极易自燃,与空气接触即燃烧。

• 乙硼烷(B₂H₆):剧毒且易燃易爆。

• 氟气(F₂)、氯气(Cl₂):强氧化剂,剧毒且有强腐蚀性。

2. 腐蚀性/刺激性气体

• 氟化氢(HF):最具代表性的腐蚀性气体,能腐蚀玻璃和硅,对人体骨骼和软组织有极强渗透性和腐蚀性。

• 氯化氢(HCl)、溴化氢(HBr):强酸性,刺激呼吸道。

• 氨气(NH₃):刺激性气味,主要来自CMP。

3. 强温室效应气体

• 全氟化合物(PFCs):包括六氟化硫(SF₆)、三氟化氮(NF₃)、四氟化碳(CF₄)、六氟乙烷(C₂F₆) 等。它们在空气中寿命极长(如CF₄可达5万年),全球变暖潜能值是CO₂的数千甚至数万倍。半导体行业是其主要人为排放源之一。

4. 易燃易爆气体

• 氢气(H₂)、硅烷(SiH₄)、乙硼烷(B₂H₆) 等。需要在输送和使用中严格控氧和防泄漏。

5. 一般性工艺废气

• 氮气(N₂)、氩气(Ar)、氧气(O₂)、二氧化碳(CO₂) 等,相对无害,但大量排放也需考虑。

三、废气管理与处理

半导体工厂设有 "中央废气处理系统” ,根据废气种类进行分类收集和处理:

• 酸性废气处理系统(Scrubber):使用碱液(如NaOH)中和吸收HF、HCl、HBr、NOx 等酸性气体。

• 碱性废气处理系统(Scrubber):使用酸液吸收NH₃ 等碱性气体。

• 挥发性有机废气处理系统:使用焚烧、吸附等方式处理有机溶剂废气。

• 剧毒/特殊气体废气处理系统:针对AsH₃、PH₃等,通常先经燃点式洗涤塔(Burn-Wet Scrubber),将其高温氧化成酸性氧化物(如As₂O₅, P₂O₅),再用碱液吸收。

• 温室气体(PFCs)减排:采用点源式处理,在机台出口即进行热分解、等离子体分解或催化分解,将其转化为CO₂、HF等易于处理的物质,再进入中央洗涤塔。这是行业实现"碳中和”目标的关键技术。

总结来说,半导体生产过程中产生的气体种类繁多,以蚀刻和清洗环节产生的含氟/氯腐蚀性气体(HF、HCl、SiF₄)和温室气体(PFCs),以及离子注入环节使用的剧毒气体(AsH₃、PH₃)为代表。对这些气体的安全管控和环保处理,是半导体工厂建设和运营中最核心的环节之一。

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