蚀刻硅晶片和(PE)CVD腔室清洗的生命周期环境影响

半导体和光伏产业使用氟化气体来蚀刻硅晶片和(PE)CVD室清洁，期望的结果是由于F原子和其他活性物质，但是未分解的PFC(全氟)气体的排放是不希望的，因为它们具有高的全球变暖效应和高的大气寿命。在这项研究中，我们华林科纳使用了全生命周期评估，以便比较不同技术的环境影响，以及指出改进方案。

生命周期中的步骤如下:化合物的合成、运输、在工厂中的分配(气瓶的连接)、在工艺中的使用、消除以销毁未反应的气体以及气瓶的回收，每个步骤的排放可以是直接的(来自氟化气体的排放)或间接的(来自能源使用)。

部分基于最佳猜测的结果表明，合成过程中氟化气体的逃逸性排放、减排系统的停工期和未完全清空的钢瓶的清洁主导了生命周期全球变暖效应，这意味着气体本身的全球变暖效应决定了对SF6的影响最大，F2被证明明显优于其它氟化化合物，因为它的全球变暖潜能值为零，且合成努力适中，最大限度地减少氟化气体的使用和排放的可能改进方案是(1)严格的气瓶连接程序，(2)完全使用或可靠地消除瓶中的气体，(3)回收或可靠地消除工艺中未使用的气体，以及(4)工艺的终点检测。

图1显示了给出总体二氧化碳当量排放量的标准情景，它显示了在现场GWP效应以六氟化硫 > 四氟化碳 > 三氟化氮 >> F2的顺序递减，然而合成和气瓶回收过程中未过滤排放的估计非常保守，而生产使用过程中未过滤排放的贡献可以更精确地估计。

因此，我们华林科纳准备了第二种方案，在合成和气缸返回过程中，对未过滤的排放物采用不太保守的假设，为了预测未来的改进，应该有一种趋势，即在未来的生产中，通过对现有设施进行改造，大幅增加全氟化碳的减排比例。然后，基于给出的流量数据，将导出的值应用于四氟化碳、三氟化氮和F2室清洁配方之间的比较。

使用标准假设的方案显示了生产中使用的主要影响，这种影响是由于未过滤的释放，主要有两个原因:首先，相当一部分工厂没有配备PFC设备，其次，安装的标准设备有很长的停机时间，导致在停机期间PFC的滑动，由于这些数字是基于安装经验，因此可以认为它们具有代表性。关于化学合成和钢瓶回收的数据质量不太精确，所以标准方案是基于保守的数字，假设后两种来源的排放量更多(增加了3倍),则可获得下图。

据观察，总排放量增加了20%,并且在生产使用过程中，未过滤的排放量仍然占主导地位，为了估计未来开发可能获得的最低排放量，通过减少使用过程中的排放进行了改进。假设未减排的晶圆厂数量减少10倍，减排后未过滤的排放量减少5倍，而通过使用资源导致二氧化碳当量排放量的减排努力增加5倍，其他保持不变，这一套假设肯定是乐观的，它显著降低了总排放量，并且改变了对总排放量的相对贡献权重。

独立于所有这些假设，F2现场发电是迄今为止最生态的解决方案，除了基于kg CO2/kg PFC的考虑之外，使用气体CF4、NF3和F2的清洁步骤也分别需要不同量(流量和时间)的相应气体，基于给出的数据，进行了以下比较，假设过度蚀刻是适度的(< 10%)，或者使用终点检测来避免工艺中更高的排放，在引用的研究中，氟/惰性气体混合物取自瓶子，这一事实对于工艺结果和消耗并不重要，当通过现场生产提供所讨论的氟时，它也可以用于评估环境影响。

所用CF4和NF3的流速由工具制造商给出，F2混合物由调查人员优化，评估中未包括的事实是，在这些环境和流量下，F2混合物显示出最高的蚀刻速率，而CF4气体最低，因此，如果适用，可以减少F2的流量，或者必须增加CF4的流量，以达到相同的性能结果。考虑到这一点，距离会更大，因为这种变化会偏离制造商的配方，所以它没有在排放的基础上增加，可以清楚地看到(对数标度),在减排的基础上，F2清洁比下一个最佳方案NF3清洁好20倍，如果不减少PFC，差距甚至会更大。尽管CF4作为PFC在kg的基础上甚至略好于NF3，但是在引用的配方中所需的较高流量使得CF4清洁的总体GWP平衡比NF3清洁的差。这必须从一个应用程序到另一个应用程序逐例进行检查。

在引用的例子中使用的配方是典型的配方，在200mm晶片上使用旧设备，结果看起来很典型，但不一定与其他潜在的应用相似，因此对于每个预期的应用，必须检查各个室清洁气体的相对消耗，然而，F2的优势是巨大的，它将允许改进大量的应用。

尽管并非所有GWP排放量估算的基础数据都准确可用，但关于减排及其特性的最稳定数据允许确定与太阳能和半导体行业使用全氟化碳相关的GWP排放量的主要部分，虽然SF6的影响最大，但长期使用的CF4的影响并不高于每公斤NF3的影响，只要在类似的过程中使用较少的NF3，那么NF3就有优势，正确设计具有高正常运行时间的工厂，并涵盖工厂中的所有PFC源，是当今显著减少排放的关键，对于未来的下一步减少，必须审查合成和气瓶返回，并配备更好的预防措施，防止未经过滤的释放，根据乐观的假设对未来的预测显示，尽管与今天相比大幅减少，但全氟化碳的使用会产生大量的GWP排放，F2现场发电优于所有其他替代方案，但它不适合或至少不能替代当今所有的应用，F2现场发电广泛替代传统PFC应用将对GWP减排产生最大效益。

审核编辑：符乾江