Анализ технологических особенностей процесса фотолитографии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

1. Теоретический раздел

1.1 Понятие о фотолитографическом методе

1.2 Подготовка поверхности

1.3 Выбор фоторезиста

1.4 Нанесение фоторезиста

1.5 Совмещение и экспонирование

1.6 Фотошаблон

1.7 Проявление фоторезиста

1.8 Травление нижележащего слоя

1.9 Удаление фоторезиста

2. Экологический раздел

2.1 Анализ загрязняющих веществ, сбрасываемых в канализационные сети

2.2 Методы очистки производственных сточных вод

2.2.1 Реагентный метод

2.2.2 Электрокоагуляционный метод

2.2.3 Обратный осмос

2.2.4 Ионообменный метод

2.2.5 Адсорбционный метод

2.3 Газоочистка

2.3.1 Абсорбционные процессы

2.3.2 Процессы адсорбции

3. Аппаратное обеспечение для экологического контроля процесса фотолитография

Заключение

Список литературы

фотолитографический очистка сточный вода

ВВЕДЕНИЕ

В основе полупроводниковой электроники на современном этапе лежит планарная технология. Она отличается универсальностью, легкой воспроизводимостью результатов и позволяет решить проблему создания полупроводниковых интегральных микросхем с высоким уровнем интеграции. Основным процессом планарной технологии является фотолитография, а основным "инструментом" фотолитографического процесса - фотошаблон.

Развитие полупроводниковой электроники в направлении расширения рабочего диапазона частот и повышения отдаваемой мощности транзисторов, создания интегральных микросхем на основе твердого тела, а также создания ряда других новых типов приборов выдвинуло ряд новых технологических проблем. Решение наиболее важных из них, а именно: получение р-п переходов малой площади с малой глубиной залегания, р-п переходов с развитым периметром и существенно повышенным отношением периметра к площади, создание многоэмиттерных структур, сочетание на одной полупроводниковой пластине активных и пассивных элементов (полупроводниковые интегральные микросхемы), оказалось возможным лишь благодаря разработке планарной технологии.

Планарная технология представляет собой комплекс следующих процессов: диффузии донорных и акцепторных примесей в толщу полупроводника, выращивания на поверхности полупроводника диэлектрических пленок (двуокиси или нитрида кремния), фотолитографии, нанесения тонких металлических пленок распылением в вакууме и электролитического выращивания электродов.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

1.1 ПОНЯТИЕ О ФОТОЛИТОГРАФИЧЕСКОМ МЕТОДЕ

Фотолитография применяется для образования рельефа в диэлектрических пленках, а также пленках металлов, нанесенных на поверхность полупроводника.

Фотолитографический метод основан на том, что некоторые виды высокомолекулярных соединений обладают способностью изменять свои свойства под действием света.

При условии устойчивости пленок этих соединений (фоторезистов) к травителям, применяемым в процессе фотолитографии, они могут быть использованы для защиты при формировании рельефа.

Освещение (экспонирование) пленок фоторезиста, нанесенных на подложку (полупроводниковая пластина, пленки двуокиси или нитрида кремния, металлические пленки), производится через стеклянную маску (фотошаблон) с системой прозрачных и непрозрачных полей, будущих элементов в приборе.

При последующем проявлении происходит удаление с подложки ненужных участков пленки фоторезиста и образование защитной маски с рисунком и размерами, обусловленными рисунком на фотошаблоне. В результате конфигурация активных и пассивных элементов структуры целиком определяется возможностями фотолитографического процесса.

Возможность создания элементов любой конфигурации, высокая воспроизводимость размеров и их расположения, групповая обработка большого числа переходов -- таковы основные достоинства фотолитогафического метода.

Совершенствование фотолитографического процесса сводится в основном к повышению его разрешающей способности и снижению числа дефектов в процессе образования рельефа в пленках двуокиси кремния и металлов, приводящих к изменению электрических характеристик приборов.

Разрешающая способность фотолитографического метода складывается из разрешающей способности применяемых фотошаблонов, разрешающей способности оптико-механического оборудования, разрешающей способности фоторезистов и процесса фотолитографии непосредственно на подложке (формирование защитного слоя фоторезиста, вытравливание элементов в диэлектрических и металлических пленках и др.).

В пленарной технологии разрешающая способность всего процесса обычно оценивается по максимальному числу линий, вытравленных в пленке двуокиси кремния, и перемежающихся с ними полос двуокиси кремния той же ширины, умещающихся на 1 мм.

Основными этапами литографии являются:

-подготовка пластин

-нанесение фоторезиста;

-совмещение и экспонирование;

-проявление фоторезиста;

-травление нижележащего слоя;

-удаление фоторезиста.



Рис 1.1. Основные этапы фотолитографического процесса

1.2 ПОДГОТОВКА ПОВЕРХНОСТИ

От правильной обработки поверхности зависят не только окончательные характеристики приборов, но и их повторяемость и процент выхода годных. Шероховатость поверхности подложки, ее загрязненность ведут к резкому увеличению числа проколов в диэлектрической пленке в ходе фотолитографии

Сырьем для изготовления полупроводниковых пластин служит химически чистый кремний. Его получают из кварца, т.е. двуокиси кремния, путем восстановления с использованием углерода.

Подготовка поверхности к нанесению фотослоя состоит из следующих этапов:

1. Подготовка заключается в обработке специальными растворителями поверхности пластин при температурах близких к температуре кипения. В качестве растворителей выбирают следующие: трихлорэтилен (СНСl = СС1₂), толуол (СН₃С₆Н₅), четыреххлористый углерод (СС1₄), ацетон (СН₃СОСH₃), этиловый спирт (С₂Н₅ОН), амилацетат (СН₃СО₂С₅Н₁₁) и др

2. Промывку подложек производят в проточной дистиллированной или деионизованной воде. Отмывка сверхчистой водой удаляет следы растворителя; а также микрочастицы, способные впоследствии образовать "проколы" в тонком (?1 мкм) слое фоторезиста.

3. Сушку подложек производят при температуре 120 ⁰С в течение 15 мин. Допускается производить сушку подложек в центрифуге при использовании специальных линий очистки подложек, в которых предусмотрена такая сушка.

Поверхность подложки, прошедшей очистку, должна быть чистой, без подтеков, пятен и инородных предметов.

1.3 ВЫБОР ФОТОРЕЗИСТА

В практике планарной технологии применяют два типа фоторезистов: негативный и позитивный. При негативном фоторезисте под действием ультрафиолетового света происходит полимеризация освещенных участков пленки. Полимеризованные участки теряют растворимость в обычных растворителях. Поэтому после обработки поверхности подложки растворителем слой фоторезиста остается только в местах, соответствующих прозрачным областям фотошаблона. Пленки же позитивного фоторезиста, наоборот, разрушаются под действием ультрафиолетового света. Таким образом, после освещения подложки с пленкой через фотошаблон и проявления на подложке возникает рельеф из пленки фоторезиста, в котором прозрачным областям фотошаблона соответствуют свободные от фоторезиста участки.

Сформулируем основные требования к фоточувствительным растворам: способность образования сплошных пленок толщиной от 0,2 до единиц микрон; хорошая адгезия к подложкам; устойчивость к кислотам и другим травителям, употребляемым в полупроводниковой технике (кислотоустойчнвость); высокая разрешающая способность (до 2000 лин!мм при толщинах пленки не менее 0,2мкм); спектральная светочувствительность в области 300--500нм, позволяющая проводить операции совмещения в видимом свете. Чувствительность фоторезистов при этом должна обеспечивать работу при относительно малых временах экспозиции (не более 30--40 сек) и стабильность свойств в течение длительного времени. Требования эти в большинстве случаев взаимосвязаны. Повышение разрешающей способности фоторезиста, как правило, сопровождается некоторым снижением адгезии к подложкам, поэтому выбор фоторезиста зависит от его назначения.

1.4 НАНЕСЕНИЕ ФОТОРЕЗИСТА

Нанесение фоторезиста осуществляется несколькими способами; погружением в ванну с фоторезистом, пульверизацией, центрифугированием и вакуумным осаждением. Наибольшее распространение нашел способ центрифугирования, при котором с помощью специального приспособления капля фоторезиста наносится на пластину, закрепленную па горизонтально расположенном диске центрифуги. Сущность метода центрифугирования состоит в следующем.

На диск центрифуги, встроенной в скафандр с обеспыленной средой, устанавливается металлизированная стеклянная заготовка слоем хрома вверх. В середину стеклянной пластины через фильтр типа "миллипор" шприцом наносят несколько капель фоторезиста. Включают вращение и под действием центробежной силы фоторезист растекается по поверхности тонкой пленкой.

Точный контроль толщины покрытия и широкий диапазон ее варьирования реализуется и этом способе при сравнительно несложном оборудовании. Предельная толщина пленки выбирается в зависимости от размеров элементов. Чем уже линию требуется получить, тем тоньше и равномернее по толщине должна быть пленка фоторезиста. Однако в тонких пленках возрастает вероятность возникновения проколов. При шероховатой поверхности подложки или при наличии ранее вытравленного рельефа желательно применять более вязкие резисты. Это в свою очередь требует больших скоростей вращения и более высокого начального ускорения. В то же время при больших скоростях увеличивается степень загрязнения пленки, ведущая к увеличению числа проколов.

Предельная скорость вращения подбирается по толщине пленки, обеспечивающей требование заданного разрешения элементов в сочетании с минимальным числом проколов. В табл. 1 показана зависимость плотности проколов от скорости вращения центрифуги и толщины фоторезиста для различных типов фоторезистов.

Табл. 1. Зависимость плотности проколов от скорости вращения центрифуги и толщины фоторезиста для различных типов фоторезистов

Представляется перспективным нанесение фоторезиста пульверизацией, отличающееся от центрифугирования высокой однородностью пленки по толщине, отсутствием утолщений на краях, отсутствием проколов и нарушений пленки и возможностью получения более толстых слоев фоторезиста. Однако метод пульверизации требует Специальных быстроиспаряющихся растворителей, тщательной очистки пульверизирующего газа и довольно сложного оборудования.

Первоначальная сушка -- отвердение пленки происходит непосредственно в процессе ее нанесения. Однако для окончательного удаления растворителей и повышения адгезии к подложке большинство фоторезистов нуждается в дополнительной сушке, температура которой обычно зависит от подбора растворителей (например, КТFR при 80 °С в течение 10 мин; ФН-5ТК при 95--100 °С в течение 25 мин; FК-11 при 80 °С в течение 18 мин). Превышение температуры сушки может сопровождаться частичной тепловой полимеризацией пленки фоторезиста и ухудшением резкости края.

1.5 СОВМЕЩЕНИЕ И ЭКСПОНИРОВАНИЕ

Операции совмещения и экспонирования производятся на одной установке, которая состоит из следующих основных блоков:

-устройства для совмещения, оборудованного микроскопом;

-шаблона;

-устройства для экспонирования.

Для совмещения на шаблоне и пластине формируется система меток, которые и надо совместить . Для .этого служит специальное устройств, позволяющее поворачивать друг относительно друга пластину и шаблон и перемещать их в горизонтальной плоскости, в результате чего происходит совмещение меток. Все операции производят под микроскопом.

После совмещения производится экспонирование (облучение).

Экспонирование пленки фоторезиста является одним из ответственнейших процессов качественного изготовления фотошаблонов.

Принципиально возможны три метода экспонирования при изготовлении рабочих копий фотошаблонов: контактное, проекционное и экспонирование с зазором.

В первые годы развития фотолитографии применялся только контактный метод экспонирования, при котором подложка со слоем фоторезиста плотно прижата к плоскости фотошаблона. Особенностью контактной фотопечати является ограничивающее влияние дифракции. Так как размеры изображений имеют тенденцию к дальнейшему снижению и становятся сравнимы с длиной волны актиничного света, в сильной степени сказывается воздействие неизбежного зазора между фотошаблоном и подложкой.

Разрешающая способность процесса экспонирования во многом зависит от степени контакта. Наименьший размер элемента, воспроизведенный при контактной печати -- линия шириной 0,8 мкм, был получен при исключительной плоскостности поверхности подложки и фотошаблона (менее 0,5 мкм).

Наилучшие результаты практически получаются с использованием вакуумно-копировальной рамки, показанной на рис. 1.2 вместе со схемой осветителя.

Вакуумно-копировальная рамка вынимается из направляющих пазов и в перевернутом виде устанавливается на столе скафандра. На металлическую пластину 4, помещенную на резиновых прокладках 3, кладется фоторезистовая пластина 5, на которую эмульсионной стороной к фоторезисту прикладывается эталонный фотошаблон 7 и поджимается рамкой 8. Затем включается вакуумная система и начинается откачка воздуха из внутреннего объема рамки). В результате созданного разрежения резиновая диафрагма 2 плотно прижимает друг к другу эталонный шаблон и фоторезистовую пластину. Затем рамка вставляется в пазы корпуса 12, открывается затвор и осуществляется экспонирование фоторезиста.



Рис 1.2. Схема установки для контактной печати фотошаблонов:

1-зажимное кольцо; 2-резиновая диафрагма; 3-резиновые прокладки; 4-металлическая пластина; 5-фоторезистовая пластина; 6-уплотняющее резиновое кольцо; 7-эталонный фотошаблон; 8-прижимная рамка; 9-конденсор; 10-лампа; 11--зеркало; 12-корпус.

Конструкция рамы обеспечивает отсасывание воздуха из зазора и значительное встречно-направленное давление на контактируемые пластины. Качество прижима в этой раме можно контролировать по количеству интерференционных колец в зазоре.

С точки зрения повышения разрешающей способности более перспективен проекционный метод экспонирования. Его отличие состоит в том, что фотошаблон не находится в контакте с пластиной. Его уменьшенное изображение проецируется на пластину с помощью линзы (рис. 1.3).



Рис 1.3 Схема процесса проекционного экспонирования:

1-поток света; 2-конденсор; 3-фотошаблон; 4-объектив; 5-кремниевая пластина с фоторезистом.

Применение широкоугольных объективов с высокой разрешающей способностью исключает искажения размеров элементов на большом рабочем поле. Для установки различных совмещенных фотошаблонов может использоваться специальное оптическое устройство. Достигнутая в настоящее время разрешающая способность этого метода вдвое выше ширины линии двуокиси кремния (0,4 мкм) , чем при обычной контактной фотолитографии. Она не зависит от неровностей поверхности и случайных ее загрязнений, нарушающих контакт. Кроме того, при проекционном экспонировании удается избежать царапания слоя фоторезиста и повреждений самого фотошаблона. Срок службы фотошаблонов возрастает при этом в несколько десятков раз.

Разрабатываются электронно-лучевые системы экспонирования |с разрешающей способностью около 0,7 мкм. В системе используется метод развертки луча, охватывающей только область экспонирования. Таким образом, каждый элемент экспонируется отдельно, при этом система фиксируется механически.

Электронно-лучевой метод не требует фотошаблонов. Для получения конфигурации используются программирующие устройства развертки луча.

Третьим методом экспонирования является экспонирование с зазором.

Между фотошаблоном и пластиной остается зазор 20-30 мкм, что предотвращает истирание шаблона, но ухудшает точность переноса его рисунка в слой резиста из-за увеличившейся дифракции излучения.

1.6 ФОТОШАБЛОН

Фотошаблоны -- основной инструмент для осуществления фотолитографических операций и пленарной технологии. С помощью фотошаблонов формируются изображения в слое фоторезиста, нанесенного на полупроводниковую пластину, а затем вытравливается экранирующая маска в поверхностной пленке окисла или создается топологическая структура на металлической пленке. Совокупностью операций фотолитографии задаются геометрические размеры элементов полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, а также конфигурация структуры изделия в целом, чем в немалой степени обеспечивается получение необходимых параметров изделия.

Необходимость обеспечения идентичности конфигураций полупроводниковых структур от процесса к процессу накладывает на фотошаблоны жесткие требования. Фотошаблоны должны иметь строго рассчитанный геометрический рисунок с допусками на размер элементов в пределах долей микрона, минимальное количество дефектов и отвечать требованиям совмещаемости различных топологических рисунков всех входящих в комплект фотошаблонов.

В микроэлектронике отдельные структуры приборов имеют общие поперечные размеры от 0,05 до 10 мм. Полупроводниковые пластины имеют диаметры от 25 до 80 мм. Для повышения производительности фотолитографических процессов целесообразно использовать пластины по возможности с наибольшим диаметром. Это позволяет па одной пластине обрабатывать одновременно до 10000 структур дискретных приборов и до 2000 структур интегральных микросхем.

Для получения таких фотошаблонов фотографическим способом вычерчивают (рис. 1.4) оригинал, который затем последовательно уменьшают в 1--3 приема. Получаемое таким образом отдельное изображение многократно экспонируют на фотопластине. При этом между двумя экспозициями фотопластину смещают на точно установленные расстояния по строке (х-смещепие) и от строки к строке (у-смещение); таким образом получают эталонный фотошаблон.

Рис 1.4 Схема изготовления фотошаблонов методом последовательного уменьшения:

1-оригинал; 2-объектив; 3-промежуточный фотошаблон; 4-объектив фотоповторителя; 5-эталонный фотошаблон; 6-координатный стол; 7-комплект фотошаблонов.

Для изготовления каждого функционального элемента полупроводникового прибора или интегральной микросхемы требуется комплект фотошаблонов, состоящий из 4--12 стекол. Входящие в комплект фотошаблоны имеют различные, но взаимносовместимые изображения, изготовленные при одинаковых оптических условиях.

Так же для изготовления эталонного шаблона часто используют метод электронно-лучевой литографии.

Схема установки для электронно- лучевой литографии представлена на рис.1.5.

Рис.1.5. Схема установки для электронно- лучевой литографии

Основной особенностью этого метода является отсутствие шаблона - рисунок в резисте с помощью компьютера создается электронным лучом, генерируемым электронной пушкой. Компьютер контролирует положение пластины относительно луча и задает координаты положения луча на поверхности пластины.

1.7 ПРОЯВЛЕНИЕ ФОТОРЕЗИСТА

После формирования в слое резиста скрытого рисунка следует операция его проявления.

Для негативных резистов проявление есть процесс растворения неэкспонированных участков, который можно проводить либо в растворителях фоторезиста, либо в специальных проявителях.

Для позитивных фоторезистов проявление представляет собой несколько более сложный процесс, так как оно связано с реакцией превращения инденкарбоновых кислот в растворимые соли. Для проявления фоторезистовых пластин, изготовленных на основе позитивного фоторезиста, используются два принципиально различных типа проявителей: глицериновый и щелочной. Глицериновый проявитель представляет собой 1%-ный раствор тринатрийфосфата в водо-глицериновом составе.

Этот проявитель хорошо работает с механическим перемешиванием в виде покачивания ванны для проявления, которая может осуществляться либо от электродвигателя, либо с помощью специальной вибрационной установки, сообщающей вибрацию раствору с частотой сети (50 гц).

Однако лучшие результаты по качеству края и скорости проявления можно получить, используя раствор небольшой концентрации едкого калия в воде (около 0,3%).

В этом случае достигаются хорошие результаты как при проявлении в стационарной ванне, так и в вибрационной ванне. Но основным преимуществом этого типа проявителя является возможность его пульверизации и проявления в факеле пульверизируемого проявителя.

Таким образом, можно обеспечить постоянное омывание пленки фоторезиста свежим раствором проявители, точное время проявления, которое затем резко сменяется орошением водой, пульверизуемой соседней форсункой. Метод пульверизации позволяет не только улучшить качество края, и снизить расход проявителя, а следовательно, обеспечить работу только свежими порциями проявителя.

Сушка слоев фоторезиста после проявления, направленная на испарение остатков проявителей, размягчающих слои, и дополнительную тепловую полимеризацию фоторезистов, стабилизирует их защитные свойства в процессе травления.

Рекомендуемые обычно температуры сушки составляют 120--160° С. Для некоторых фоторезистов после проявления и сушки наблюдается изменение размеров элементов, которое может быть учтено в рисунке на фотошаблоне при условии соблюдения постоянства толщины слоя фоторезиста и режимов экспонирования.

1.8 ТРАВЛЕНИЕ НИЖЕЛЕЖАЩЕГО СЛОЯ

Дальнейшая обработка -- травление пленки хрома в окошках фоторезиста -- является одной из наиболее ответственных и трудно контролируемых операций.

Травление осуществляется в термостабилизированных условиях в растворе соляной кислоты. Перед этим пластина орошается водой для лучшего смачивания травителем, затем опускается в травитель. Для восстановления поверхностной окисной пленки между пленкой и другим электродом, опущенным в травитель, пропускают импульс постоянного тока или просто касаются алюминиевой палочкой хрома, не защищенного фоторезистом, что создает гальваническую пару и в результате между пленкой хрома и травителем также проходит импульс тока. Начинается бурное травление хрома с выделением пузырей газа, которые могут привести к невытравливанию части элементов структур. С целью удаления пузырьков рекомендуется интенсивное движение травителя или его вибрация с амплитудой до 3--5 мм. В особо ответственных случаях целесообразно травление проводить в два этапа с остановкой через 5--7 сек после начала травления, переносом пластины в ванну с дистиллированной водой, а затем повторное травление в соляной кислоте с инициированием начала травления алюминиевой палочкой.

Очень важно в процессе травления точно определить окончание этого процесса и перенести пластину под водяной душ. Обычно это регистрируется по времени. Однако в силу значительного разброса характеристик хромовых пленок время травления может колебаться от 1,5 до 2 раз. При этом передержка в травителе приводит к растравливанию окон, увеличению их размеров, а также к появлению волосяных трещин в слое хрома на резких углах структур, где механические напряжения пленки хрома концентрируются в наибольшей степени. В таких случаях наилучшие результаты может дать фотоэлектрический контроль пропускающей способности травимой пленки.

После операции травления осуществляется обзорный контроль фотошаблона под микроскопом и выборочный контроль размером. При необходимости возможно некоторое дотравливание окон в травителе на основе церия следующего состава:

церия сернокислого -- марки И -- 200 мл

соляной кислоты -- 100 мл

серной кислоты -- 10мл

воды дистиллированной -- до 1000мл

Процесс снятия фоторезиста проводится в 50%-ном растворе едкого калия.

Пластина выдерживается в растворе до полного растворения фоторезиста (обычно 1,2--2 мин), после чего промывается поролоновой губкой в струе горячей (60--70° С) поды в течение нескольких минут.

Но чаще всего применяются установки для травления фоторезиста плазменным (сухим) методом. На рис. 1.6. показана схема установки сухого травления.



Рис.1. 6. схема установки сухого травления: 1,2-электроды; 3-пластины.

В установку подают галогеносодержащие газы (типа СF₄) . Плазма зажигается между электродами 1 и 2. В этой плазме происходит ионизация указанных газов и их химически активные радикалы через сетчатый электрод 1 поступают в рабочее пространство установки, где находятся пластины 3, и взаимодействуют с их поверхностью.

1.9 УДАЛЕНИЕ ФОТОРЕЗИСТА

Наряду с этим применяются установки для удаления фоторезиста в кислородной плазме. Кислородную плазму под давлением получают при приложении высокочастотного напряжения к внешним электродам. Высокоактивный ионизированный кислород воздействует на фоторезистнвный слой, при этом образуются летучие продукты реакции, которые легко удаляются. Работа выполняется в атмосфере кислорода (20%) при температуре 100° С. Мощность установки при частоте 13,5 Мгц около 1000 вт. Установка очищает пластины, покрытые слоем фоторезистнвного полимера толщиной 5000А, менее чем за 5 мин

После операции удаления фоторезиста фотошаблон передается для проведения тщательного контроля его качества, а в случае необходимости -- для ретуши исправления дефектов.

2. ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

2.1 АНАЛИЗ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ, СБРАСЫВАЕМЫХ В КАНАЛИЗАЦИОННЫЕ СЕТИ

При процессе фотолитографии применяются методы подготовки поверхности, травление и удаление слоя фоторезиста.

При реализации этих методов образуются следующие отходы: трихлорэтилен, четыреххлористый углерод, толуол, ацетон, этиловый спирт, хромовые стоки, растворы соляной кислоты, серной кислоты, которые поступая в окружающую среду со стоками негативно влияют на здоровье человека, поступая в его организм с водой, пищей, а при испарении, и с воздухом. Так же выделяются вредные для здоровья человека галогеносодержащие газы (типа CF₄).

В целях недопущения негативного воздействия на окружающую среду и здоровье человека необходимо производить очистку сточных вод и очистку газовых выбросов.

2.2 МЕТОДЫ ОЧИСТКИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД

2.2.1 Реагентный метод

Суть метода заключается в переводе ионов тяжелых металлов, находящихся в растворе, в нерастворимые в воде соединения (гидроксиды или основные карбонаты) при нейтрализации воды с помощью щелочных реагентов (гидроксидов или карбонатов Са, Na, Mg, оксидов Са). При этом остаточная концентрация ионов металлов (Fe, Zn, Cr, Ni, At, Cu, Cd, Mn) составляет 0,05+2,5 мг/л.

В процессе нейтрализации рН раствора растет, но должен оставаться ниже величины рН, при котором образовавшиеся осадки начнут растворяться.

Например, Fe(OH)₂ начинает осаждаться при рН 7,5, после полного осаждения рН достигает 9,7, при рН 13,5 осадок начинает растворяться. На рис 2.1. представлена блок- схема реагентного метода.

Рис. 2.1. Блок- схема реагентного метода.

После взаимодействия кислотно-щелочных стоков с щелочным агентом, поступающим из дозатора 2, в реакторе 1 происходит отстаивание образовавшихся нерастворимых осадков в отстойниках 5 (не менее 2-х). Для ускорения осветления воды в раствор, выходящий из реактора может добавляться флокулянт (полиакриламид).

Влажность полученного осадка составляет 98 - 99%. Осадок из отстойников 5 направляется на фильтр 6, где содержание влаги в нем доводится до 60-70%, и полученный в результате шлам Ме(ОН)n идет на дальнейшую переработку. Вода из отстойников 5 и из фильтра 6 поступает в нейтрализатор 8, где к воде добавляют кислоту из дозатора 4 для нейтрализации содержащейся в ней щелочи. На выходе из нейтрализатора - чистая вода. Для циркуляции растворов в указанной схеме используют насосы 7.

Показанная на рис. 5. схема реагентного метода, является принципиальной, поскольку на основании ее могут быть разработаны очистные сооружения для удаления того или иного иона. Применяемые на практике схемы отличаются от представленной используемыми реагентами и количеством отдельных аппаратов.

2.2.2 Электрокоагуляционный метод

В данном методе примеси в воде превращаются в грубодисперсное состояние. Процесс протекает в несколько этапов:

* создание ионов металлов на поверхности электрода;

* миграция ионов в объем раствора;

* образование малорастворимых соединений металлов с компонентами раствора;

* формирование коллоидных частиц.

Чаще всего этот метод используется для очистки стоков от ионов шести валентного хрома,.

В результате растворения стальных анодов образуются ионы Fe^2t . которые способствуют восстановлению Сг⁶⁺ до Сг³⁺ и образованию малорастворимых соединений, которые взаимодействуют с коллоидными частицами, имеющими противоположный заряд поверхности. При необходимости доочистки воды от оставшихся ионов Сг³⁺ производят нейтрализацию с целью осаждения гидроокиси хрома:

Сr³⁺ + ЗОН Сr(ОН)₃

Рис. 2.2. Блок-схема электрокоагуляционного метода [5]

В представленной на рис. 2.2 - схеме собственно электрокоагулятор 3 включает две секции: пластинчатый электролизер и отстойники (осветлители) различных типов.

Добавление NaCl из дозатора 5 необходимо, чтобы избежать пассивации поверхности анодов содержащимися в сточных водах ионами NO₂^-, NO₃^-, PO₄^3- и др. Хромовые стоки накапливаются в резервуаре 1 и подаются в электрокоагулятор 3 насосом 2. 4 - блок питания электрокоагулятора.

Очистка от хрома достигает 90- 95% при концентрациях, не превышающих 30 мг/л.

2.2.3 Обратный осмос

Метод заключается в фильтрации жидкости через специальные мембраны под давлением. Иногда этот метод называют гиперфильтрацией.

Осмос - это способность молекул воды проникать через полупроницаемую мембрану для установления равновесия в системе (выравнивания концентрации во всех частях системы) в том случае, если частях системы, разделенных мембраной, концентрации раствора не одинаковы. При этом возникает, так называемое осмотическое давление и уровень раствора в части системы с исходно большей концентрацией повышается. Когда давление столба раствора в этой части системы превысит осмотическое давление, самопроизвольный переход молекул воды (осмос) через мембрану прекратится. Если к раствору в этой части системы приложить давление, больше осмотического, будет протекать обратный процесс - вода из более концентрированного раствора начнет переходить через мембрану в обратном направлении. Это называется обратным осмосом. В этом случае только молекулы воды будут проходить через мембрану, концентрация раствора еще повысится, а на противоположной стороне мембраны можно получить чистую воду. Таким образом, если обратному осмосу подвергнуть сточные воды, то из них достаточно эффективно можно удалить воду, а содержащиеся в них примеси сконцентрировать. На рис. 2.3 представлена двухступенчатая схема очистки стоков с помощью обратного осмоса.

Рис 2.3 Схема метода обратного осмоса

1 - накопитель. 2 - насос, 3 - фильтр, 4 - накопитель, 5 - аппарат обратного осмоса(1), 6 - накопитель, 7 - аппарат обратного осмоса(2). После первой ступени очистки обратным осмосом (5) получается концентрат с высоким содержанием примесей, который направляется на переработку с целью извлечения этих примесей. После второй ступени очистки содержание примесей в растворе таково, что их извлечение неэффективно, и раствор направляется в накопитель 4 для повторной очистки.

2.2.4 Ионообменный метод

Ионообменная очистка применяется для извлечения из сточных вод металлов ( цинка, меди, хрома, никеля, свинца, кадмия, ртути, и т. д.). а также соединений мышьяка, фосфора и цианистых соединений. Этот метод очистки воды широко используют для получения сверхчистой (деионизованной) воды для нужд полупроводникового производства Метод предназначен для очистки сточных вод с содержанием солей не более 3 г/л, так как при большем их содержании он становится неэффективным из-за необходимости частой регенерации ионообменных смол.

Схема метода представлена на рис. 2.4. [5]

Рис. 2.4. Схема ионообменного метода

1 - накопитель, 2 - насос, 3, 4 - фильтры, 5 - катионообменные колонны, 6 - анионообменные колонны.

В данной схеме стоки из накопителя 1 насосом 2 подаются в фильтры 3 и 4, предназначенные для предварительной очистки стоков от взвешенных частиц и некоторых загрязнений. Очистка от солей производится в двух катионообменных 5 и двух анионообменных колоннах 6. Колонны 5 заполнены катионообменной смолой (катионитом), представляющей собой сложное соединение, имеющее радикал и присоединенный атом водорода (R-H), который может замещаться ионами металлов, находящимися в воде:

Следовательно, катионы диссоциированных в воде солей связываются катионом, и в ней остаются анионы, которые связываются в колоннах 6 с анионообменной смолой (анионитом), имеющей формулу R-ОH:



Далее, образовавшиеся ионы гидроксила и водорода объединяются по реакции:

В результате вода очищается от растворенных в ней солей. С течением времени остается все меньше не прореагировавших катионитов и анионитов, и эффективность очистки воды снижается в предельном случае до нуля. Поэтому периодически смолы должны регенерироваться. Катионитовые колонны 5 промываются кислотой, анионитовые - щелочью. При этом образуются насыщенные растворы - элюаты, которые могут направляться на извлечение из них ценных компонентов.

2.2.5 Адсорбционный метод

Сорбцией называют процесс поглощения твердым телом или жидкостью (сорбентом) какого-либо вещества из окружающей среды. Различают три основные разновидности сорбции -адсорбцию, абсорбцию и хемосорбцию.

Адсорбция - поглощение вещества из газовой или жидкой среды поверхностным слоем твердого тела или жидкости (адсорбента).

Адсорбцию широко применяют для глубокой очистки сточных вод от растворенных органических веществ после биологической очистки, значительно реже - для очистки от ионов тяжелых металлов. Использование адсорбции для удаления гетерогенных примесей экономически не оправдано и не практикуется. Блок адсорбционной очистки, как правило, включают в схему на заключительной стадии обезвреживания воды, когда из неё отстаиванием, фильтрацией, коагуляцией уже удалена основная масса взвешенных частиц, эмульгированных смол и масел, и вода освобождена от крупных мицелл коллоидных систем.

Адсорбционная очистка эффективна во всем диапазоне концентраций примесей в воде, однако более всего её преимущества сказываются на фоне других методов очистки при низких концентрациях загрязнений. Основные области применения адсорбционных процессов в очистке воды - подготовка питьевой воды и доочистка сточных вод.

При адсорбции из растворов происходит поглощение адсорбентом как молекул загрязнения так и воды. Кроме того при очистке водных растворов происходит конкуренция двух видов межмолекулярных взаимодействий: гидратация молекул загрязнителя, т.е. взаимодействие их с молекулами воды в растворе, и взаимодействие молекул загрязнителя с адсорбентом.

Конкуренция процессов гидратации и адсорбции молекул загрязнителя и адсорбции молекул воды лежит в основе разграничения сорбентов для удаления из воды органических и неорганических веществ. Для адсорбции органических веществ применяют углеродные пористые материалы - активные угли, дробленые материалы различного органического происхождения: уголь, кокс, топливные шлаки, сорбенты на основе целлюлозы и резины, синтетические полимеры. Полярные гидрофильные материалы - иониты, глины, силикагели, алюмогель, цеолиты, оксиды и гидроксиды для адсорбции органических веществ малопригодны, так как величина энергии взаимодействия их с молекулами воды равна величине энергии сорбции молекул органических загрязнений или превышает её. Эти гидрофильные материалы используют для удаления из воды неорганических соединений, присутствующих в ней, как правило, в ионной форме.

Наиболее универсальными из адсорбентов являются активированные угли. С их помощью возможно практически полное удаление из растворов почти всех органических соединений, а при определенных условиях и эффективная очистка воды от некоторых токсичных ионов неорганических веществ, в том числе ионов тяжелых металлов. Сорбционная емкость активированного угля по отношению к ионам тяжелых металлов значительно повышается в том случае, если уголь гранулируется, а затем на его поверхность наносится активный компонент, состоящий из тиолтриазинового производного. Для приготовления такого адсорбента гранулированный активированный уголь перемешивают в растворе или суспензии тиолтриазинового производного и доводят рН смеси до величины3 в водной фазе.

Очистка сточных вод на гранулированных сорбентах проводится в адсорберах с плотным, взрыхленным, движущимся и псевдоожиженным слоем. Одно- и многослойные адсорберы с плотным слоем гранулированного активного угля работают с восходящим и нисходящим потоками воды, по параллельной и последовательной схемам.

Сорбцию загрязнений на пылевидных сорбентах ведут либо в аппаратах с перемешиванием воздухом или мешалкой, либо на намывных фильтрах. Во всех случаях могут применяться одна или несколько последовательных ступеней с неограниченным числом параллельных технологических линий.

На рис. 2.5 представлена принципиальная схема адсорбционной очистки сточных вод.

Рис.2.5. Принципиальная схема сорбционной очистки сточных вод:

1-накопитель стоков, 2-насос, 3-механический фильтр, 4-адсорбер, 5-дозатор кислоты (рН 1,5-2,0 для очистки от ионов хрома).

Использование одного из перечисленных выше методов недостаточно для полной очистки промышленных сточных вод.

2.3 ГАЗООЧИСТКА

Под газоочисткой понимают удаление газообразных примесей, которые могут содержаться в выбрасываемом воздухе. Используют три группы процессов:

1. Поглощение газов жидкостями при их контакте с воздухом - абсорбция.

2. Поглощение газов твердыми телами - адсорбция.

3. Окислительно-восстановительные процессы, в результате которых образуются менее опасные продукты.

2.3.1 Абсорбционные процессы

Для улавливания газовых выбросов часто применяют абсорбционные методы. Эффективность процесса абсорбции зависит от растворимости газов в жидкости. В качестве поглощающей жидкости чаще всего используют воду - это наиболее простой и дешевый абсорбент. У таких паров как НСl, НF и др. растворимость в воде- сотни грамм на кг воды. Соответственно, они хорошо ею поглощаются. В некоторых случаях растворимость газов в воде можно увеличить, добавив в нее вещества, химически реагирующие с поглощаемым газом. Например, для поглощения аммиака , (NН₃) в воду добавляют сернистую кислоту (Н₂SОз), в результате чего получают сернокислый аммоний (NH₄)SO₄, хорошо растворимый в воде. То есть в дополнение к эффекту абсорбции используют эффект хемосорбции.

Используются различные виды абсорбционного оборудования (рис.3.1). [6]



Рис.3.1 - Аппараты для поглощения газов жидкостями:

а - барботажные, б - распылительные, в - поверхностные

Барботажные (пробулькивающие) аппараты основаны на пробулькивании пузырьков воздуха через слой жидкости. Эффективность газоочистки зависит от количества и размера пузырьков.

В распылительных аппаратах, наоборот, диспергируется жидкость, распыляемая форсунками. Мелкие капли жидкости перемешиваются и взаимодействуют с подаваемым воздухом. Эффективность газоочистки, как и в первом случае, зависит от развитости поверхности контакта (диаметра и количества капель) и диффузионных процессов.

В аппаратах поверхностного действия воздух изменяет направление своего движения, касаясь при этом поверхности жидкости. В это время происходят процессы диффузии и растворения газов в жидкости.

Наиболее эффективными из перечисленных аппаратов следует признать распылительные, поскольку в них достигается наибольшая поверхность контакта очищаемого газа с абсорбентом.

2.3.2 Процессы адсорбции

Для адсорбции газов используются пористые твердые тела- адсорбенты, в качестве которых могут использоваться активированный уголь, цеолиты, силикагели и др. это вещества с развитой внутренней поверхностью, т.е. с большим количеством пор, в которых задерживаются молекулы газа. Наиболее предпочтительны- цеолиты, так как они обладают наибольшей пористостью, и поры имеют определенный размер, так что в них задерживаются только молекулы данного размера. Поэтому цеолиты называют молекулярными ситами. На рис. 3.2 показан один из возможных вариантов адсорбера.

Рис 3.2 Схема адсорбера

Представленное на рисунке устройство имеет четыре слоя адсорбента, которые могут быть либо неподвижными, либо псевдоожиженными в зависимости от условий подачи воздуха. Воздух подают между двумя слоями адсорбента, расположенными на решетках, он проходит через них в соседние пространства и уже очищенный проходит дальше. Через некоторое время происходит насыщение адсорбента и его надо регенерировать для восстановления адсорбционной способности. Для этого, как показано на рисунке, через слои адсорбента пропускают регенерирующий агент. На выходе из адсорбера собирают продукты регенерации для дальнейшей обработки и использования. В качестве регенерирующего агента применяют различные газы, нагретые до требуемой температуры, в зависимости от адсорбированного вещества. Это аппараты циклического действия. В аппаратах непрерывного действия слои адсорбента движутся, т.е. производят непрерывный отбор части прореагировавшего адсорбента и подачу свежего, так что насыщения адсорбента до предела не происходит. Регенерацию удаленного адсорбента производят в специальных регенераторах.

3. Аппаратное обеспечение для экологического контроля процесса фотолитография

Многие материалы и реактивы используемые при проведении процесса фотолитографии ядовиты для человека. Поэтому, важными задачами технологического процесса являются: обеспечение защиты окружающей среды от негативного воздействия, оптимизация условий труда, и устранение производственных опасностей и возможности причинения вреда здоровью работающих.

Для решения этих задач на производстве используется соответствующее аппаратное обеспечение.

Герметичное оборудование и соответствующие нормативам системы рабочей и аварийной вентиляции позволяют обеспечить безопасность персонала.

Для защиты окружающей среды следует проводить очистку и переработку отходов процесса фотолитографии.

Для очистки ст. вод процесса фотолитография рекомендуется использовать:

1) Фильтры, для отделения крупных и средних взвешенных частиц.

2) Отстойники для нейтрализации и осаждения ионов тяж. мет.

3) Адсорберы, как правило, на заключительной стадии очистки, для удаления растворенных органических соединений и доочистки воды перед сбросом в центральную канализацию.(цеолит)

Для газоочистки применяются скруберы для улавливания галогеносодержащих газов (типа CF4).

Заключение

В данной работе были проанализированы процессы, происходящие на участке фотолитографии кремниевых пластин.

При процессах очистки и травления фоторезиста образуются стоки, которые необходимо очищать от загрязнителей. Был проведен сравнительный анализ методов очистки стоков сделан вывод о необходимости применять различные комбинации способов очистки, поскольку ни один из них самостоятельно не обеспечивает требуемой степени очистки сточных вод.

При процессах травления плазменным (сухим) методом загрязняющие вещества могут попадать в атмосферный воздух. В целях недопущения загрязнения воздуха необходимо проводить газоочистку в специальных аппаратах, например таких как абсорберы и адсорберы.

Список литературы

1. Федотов А.Я., Поль Г. "Фотолитография и оптика", М.: "Советское радио", 1974

2. Масленников П. Н. "Оборудование полупроводникового производства". М., "Радио и связь", 1988

3. Евгеньев С.Б. "Оборудование полупроводниковых производств". МИТХТ им М.В. Ломоносова, 2001

4. Гаврилов Р.А., Скворцов А.М. "Технология производства полупроводниковых приборов", Ленинград: Энергия,1968

5. Виноградов С.С. "Экологически безопасное гальваническое производство". М., "Глобус",1998

6. Евгеньев С.Б., Зиновьев В.Г., Лиходед В.Н. "Техника и технология защиты окружающей среды" часть 1, часть2. МИТХТ им М.В. Ломоносова, 2006

Размещено на Allbest.ru