半導體企業危險源特征與評價案例分析

石斌，劉潤滋(北京國信安科技術有限公司，北京 100160)

0 引言

半導體由于其獨特的導電性能，是集成電路元器件加工不可或缺的原料。發展半導體行業，促進自有芯片的研發，是今后影響國計民生的重要舉措[1]。

然而在半導體加工制造過程中，不可避免地將涉及各類化學藥劑與氣體的使用，甚至包括不少易燃易爆與含毒性的危化品。例如，在半導體原料清洗工藝中，即通常需采用雙氧水等危化品對半導體晶圓進行初步處理[2]。而在半導體晶圓的蝕刻工藝中，則需使用如氫氟酸、鹽酸等具有腐蝕性與毒性的危化品[3]。這些危化品的使用與儲存都將給半導體企業的安全生產帶來隱患。

因此，本文將針對半導體制造工藝特征，分析半導體企業危險源的特征，并以某半導體企業的安全評價為例，分析半導體企業危險源的識別方法與對策。從而為今后相關企業的安評工作提供借鑒，為我國半導體的安全生產保駕護航。

1 半導體企業危險源特征

1.1 半導體企業的選址特征

半導體企業特別是高端芯片制造企業在我國屬于新興的高新技術企業。且半導體制造需保證穩定的原料供給，便利的運輸條件，充足的水源和大量的勞動力投入等。因此，盡管其生產過程中涉及大量危化品，且存在有毒有害氣體的泄漏風險，但由于相關的環境影響與安全評價認識不足，我國的相關企業選址仍以交通便利、水源豐富且周邊人口較為密集的區域為主。例如三星中國半導體有限公司，其芯片制造廠選址為西安高新綜合保稅區，距離周邊居民區、學校甚至與河生態公園距離均較近[4]。而與之對比，美國德州儀器公司的芯片廠則選址在離居民區較遠的達拉斯市郊區。

1.2 半導體企業生產工藝中的危險源特征

半導體的加工生產工藝主要包括晶圓清洗拋光、光刻蝕刻與離子摻雜幾大部分[5]。

1.2.1 半導體晶圓清洗工藝的危險源特征

利用半導體晶圓加工制作集成電路，首先需要對晶圓進行清洗處理，通過對晶圓噴射化學試劑，以去除晶圓表面的有機污染物或本征氧化物，為后續加工做準備。常用的RCA 標準清洗方法，將使用雙氧水、硫酸、氫氟酸等危化品試劑作為清洗液[6]。而相對于傳統的化工企業，上述試劑用量不大，且由于制造工藝的需要，對化學藥劑的純度要求非常高。

1.2.2 光刻蝕刻工藝的危險源特征

利用半導體原料加工制作集成電路，需要利用光刻蝕刻方法對半導體晶圓進行加工處理。光刻即利用光刻機對涂有感光劑的晶圓按照設計路線進行感光處理，從而“繪制”出相應的電路圖。蝕刻則是利用化學侵蝕的方式“繪制”出設計電路圖[7]。兩類晶圓加工過程均需保持一定的氣體環境。特別是光刻加工，對氣體折射非常敏感，光刻氣體環境要求也更高。而為保證氣體環境，則涉及到多種氣體的使用，包括氨氣、氯氣等易燃易爆氣體。此外，上述工藝中使用的光刻膠與蝕刻劑等也涉及如異丙醇、環己酮等易燃化學藥劑。這些均為半導體加工過程帶來了安全隱患。

1.2.3 摻雜工藝的危險源特征

摻雜指將一定量的導電雜質摻入半導體材料的工藝。經光刻蝕刻后的半導體晶圓，通常需進行離子摻雜處理，以保證晶圓的電學特性符合設計要求[8]。而離子摻雜過程中，需保證一定的氣體環境，將涉及氨氣、氟乙烷等易燃易爆氣體，為工藝生產過程帶來安全隱患。

2 半導體企業危險源識別與安全評價案例

2.1 案例背景

某半導體科技有限公司擬在北京經濟技術開發區新建半導體集成電路設計加工與裝備研發制造生產線。目前該生產線的建設仍處于可研階段，需要對其廠房設計與工藝設計中存在的危險源進行識別與評價，從而保證該項目的順利進行。

2.2 企業危險源特征與識別

2.2.1 企業選址及建構筑物危險有害因素辨識

該企業所在場地位于某高新開發區內，是該地區重要的高新技術產業聚集區。企業選址距離最近的居民區約8 km，距離最近的交通樞紐約2.8 km，距最近的高速路入口距離約6.8 km。

該企業的設計選址目前周邊主要為工業用地，符合環境保護要求，因目前處于可研階段，還沒有詳細的地質勘查資料。后期若在設計、施工過程中發生地面沉陷、建構筑物坍塌等問題，則需進行專項分析。

2.2.2 主體生產與儲存系統中主要危險有害因素辨識

企業主體生產過程。企業生產過程中由于蝕刻、去膠與退火設備的制造要求，需要保證各項氣體環境，因而涉及到多種特種氣體和大宗氣體，其中多種氣體為易燃易爆氣體，如：氫氣、氯氣、氨氣等，如在輸送、使用過程中管道、閥門等處發生泄漏、氣體泄漏報警系統故障或失效，易燃氣體與空氣混合達到爆炸極限，遇靜電、高溫等將會導致火災爆炸。

特種氣體儲存供應系統。企業生產中涉及的特種氣體包括氯氣、氨氣、氮氫混合氣等。特種氣體供應系統設置在生產廠房特氣間內，采用鋼瓶供氣，鋼瓶設置在氣瓶柜內。其中氨氣、氮氫混合氣等易燃易爆氣體，氣瓶在裝卸和存放過程中，如操作不當或缺少防傾倒措施，可能發生氣體外泄，遇火花、靜電、高熱等可能導致火災爆炸事故。

大宗氣體儲存供應系統。企業生產中涉及的大宗氣體為氮氣、氧氣、氬氣、氦氣、氫氣，其中氮氣、氬氣和氧氣擬采用儲罐儲存于氮氧站。氦氣和氫氣分別由氫氣間和氦氣間的集裝格供應。其中氫氣為高度易燃易爆物質，在氣瓶裝卸、儲存、更換以及氣體純化輸送過程中，或因多種原因導致泄漏，達到爆炸極限時，遇明火、靜電火花等將導致嚴重火災爆炸事故。

2.3 主要評價結果及建議

根據該企業特點，采用安全檢查表法和預先危險性分析法進行評價。

2.3.1 主體生產工藝安全評價結果及建議

經分析，企業生產過程中的刻蝕設備試驗、干式去膠系統試驗、快速熱處理設備生產過程中，火災爆炸、中毒窒息的危險等級為Ⅲ級；生產過程中使用的氯氣為劇毒物質，氨氣為高毒性物質，一旦發生泄漏，會發生人員中毒死亡事故；生產過程中化學灼傷、灼燙、觸電、機械傷害、物體打擊、噪聲、非電離輻射的危險等級均為Ⅱ級(臨界的)，處于事故的邊緣狀態，暫時還不會造成人員傷亡，但應予排除或采取控制措施。

2.3.2 特種氣體和大宗氣體儲存供應系統安全評價結果及建議

經分析，特種氣體和大宗氣體儲存系統火災爆炸、中毒窒息的危險等級為Ⅲ級(危險的)，一旦發生事故，將造成嚴重后果；其他危險因素的危險等級為Ⅱ級(臨界的)，處于事故的邊緣狀態，暫時還不會造成人員傷亡，但應予排除或采取控制措施。

企業儲存的大宗氣體氦氣和氫氣擬采用氣瓶集裝格的形式存儲，但氫氣為易燃易爆氣體，其積聚處宜設置固定式可燃氣體檢測報警儀。

3 結語

半導體制造需保證穩定的原料供給，便利的運輸條件及大量的勞動力投入，但因其生產工藝需要，生產過程中涉及大量危化品，且存在有毒有害氣體的泄漏風險。相關企業選址時需充分考慮上述兩項特征。

半導體的加工制造過程復雜，常見的清洗、蝕刻與摻雜等工藝均需保證一定的氣體環境，因而涉及到氨氣、氯氣等多種易燃易爆氣體。此外，生產過程中使用的光刻膠與蝕刻劑等涉及如異丙醇、環己酮等易燃化學藥劑也可能對安全生產帶來隱患。

通過案例分析，闡釋了半導體企業安全評價過程需注意的各項問題，其選址需關注企業與周邊交通樞紐及居民區的安全距離；其主體生產區域及氣體儲存供應系統均需關注多種危化氣體帶來的安全隱患。案例分析的結果可為今后相類似的企業安評工作提供借鑒。