УДК 697.941

Каракеян В.И., д.т.н., профессор

Ларионов Н.М., к.т.н., профессор

Рябышенков А.С.,к.т.н., доцент

Дисветова Н.М., магистрантка

Национальный исследовательский

университет "МИЭТ"

г. Москва, Российская Федерация

Чистое помещение микроэлектроники как источник загрязнения атмосферы

Обеспечение чистых помещений (ЧП) современной инфраструктурой, адекватной требования дальнейшей миниатюризации изделий, является одним из ключевых направлений дальнейшего развития микроэлектроники. При этом необходимость повышения конкурентоспособности высокотехнологичной продукции настоятельно требует активизации научно-практической деятельности не только по созданию технологической среды, но и разрешению сопутствующих проблем энергетического и экологического характера.

В основе современной концепции создания такой инфраструктуры лежит положение о том, что технологическая среда ЧП формируется посредством трансформации следующих материально – энергетических потоков: П1 извне помещения, Пчп внутри него и потоком П2, удаляемым из помещения (рис.1).

Рис.1. Схема материально-энергетических потоков инфраструктуры ЧП

Входной поток включает две составляющие. Поток П1₁ представляет собой обработанный в системе кондиционирования атмосферный воздух с его фазово-компонентными превращениями и климатическими, метеорологическими и экологическими особенностями, Поток П1₂ – это поступающая в ЧП энергия и технологические газы и жидкости, предписанные технологией производства интегральных схем. Поток Пчп охватывает процессы движения воздуха по всему объему ЧП через все производственные участки и рабочие места с учетом ухудшения его качества под влиянием факторов основной технологии. Это наиболее ответственная часть воздушного материального баланса, формирующая предписанные техническим заданием условия реализации основной технологии и санитарно – гигиенические условия для персонала.

Выходной поток П₂ описывает воздух и технологические среды после выхода из ЧП с их санитарно – гигиеническими и экологическими характеристиками. Часть П2₁ этого потока, содержащая отработанные технологические газы и жидкости, направляется на регенерацию, части загрязненного воздуха П2₂ и П2₃ после соответствующей обработки удаляется в атмосферу и используется для рецикла. Важнейшее экологическое ограничение в данном случае состоит в том, чтобы характеристики выходных П2 потоков воздуха, технологических газов и других сред были не хуже аналогичных на входе в производство П2. Очевидно при этом, что выходные параметры 1-го потока должны быть входными для потока Пчп, а выходные параметры Пчп - начальными для 2-го потока. Определяющая роль в формировании описанных материально-энергетических потоков принадлежит системе кондиционирования воздуха (СКВ), которая, включает ряд подсистем и отдельных элементов, выполняющих функции трансформации воздуха на пути от атмосферы через ЧП обратно в атмосферу. Как правило, это три подсистемы, реализующие соответственно три функции: Ф1 – функцию первичной обработки наружного воздуха (НВ) в центральном кондиционере (ЦК); Ф2 – функцию по вторичной обработке воздуха в кондиционере-доводчике (КД) до требуемого класса чистоты и подаче его в ЧП и Ф3 - функцию по удалению отработанного воздуха на рецикл (РЦ) и частично в окружающую среду (ОС) (рис.2).

Рис. 2. Структурно - функциональная схема СКВ для ЧП

Первые две функции как решающие главную задачу СКВ привлекают внимание специалистов на протяжении всей истории чистых помещений, которое не ослабевает и сегодня. Обзор научных публикаций свидетельствуют о том, что дальнейшая миниатюризация продукции микроэлектроники и возрастающие требования к чистоте технологической среды ставит ряд дополнительных задач перед наукой и практикой по исследованию и уточнению новых закономерностей в технологии воздухоподготовки для ЧП [1-3]. Проблемы же, связанные с третьей функцией по удалению выбросов и вероятным загрязнением атмосферы с появлением эколого – экономических рисков не находят широкого освещения в научной литературе. В этом аспекте на чистые помещения микроэлектроники распространяются общепринятые в стране нормативные требования по защите окружающей среды.

В то же время, известно, что в технологии микроэлектроники находит применение широкий перечень чрезвычайно опасных и высокоопасных химических веществ и их соединений искусственного происхождения, зачастую с эффектом суммации и потенцирования, что усугубляет потенциальную опасность их выбросов для населения и окружающей среды (табл.1). Следует также учитывать возможность химических реакций между веществами в атмосфере под влиянием метеоусловий и солнечной радиации с образованием практически не контролируемых вторичных соединений. Немаловажно помнить и то обстоятельство, что атмосфера наукоемкой природно – технической геосистемы является не только приемником химических загрязнений, но и источником воздуха для создания технологической среды для тех же чистых помещений, и необходимость дополнительных усилий по очистке атмосферного воздуха от такого рода примесей напрямую влияет на экономическую и энергетическую эффективность производства.

Таблица 1

Основные компоненты выбросов производств микроэлектроники

Компонент	Класс опасности
Мышьяк металлический As, арсин AsH3, фосфин PH3, диборан B2H6, плавиковая кислота HF, резисты (полимерные композиции)	1
Трехбромистый бор BBr3, тетрахлорид кремния SiCl4, спирты (бутило вый, этиловый и др.), растворы NaOH, KOH, тринатрийфосфат, три хлорэтилен, толуол, хлорбензол, перекись водорода H2O2, хлор Cl2, серная кислота H2SO4, трехфтористый бор BF3, диметилформамид, оксид фосфора P2O5, озон О3, ортофосфорная кислота H3PO4, соли плавиковой кислоты NaF; KF; NH4F, хлористый водород HCl, ацетон, аргон Ar, азот N	2
Силан SiH4, четырёххлористый углерод CCl4, алюминий Al, закись азота N2O, аммиак водный NH4OH, азотная кислота HNO3, ГМДС гексаметилдисилазан, трихлорэтилен, бор 3-х хлористый ВCl3, окись углерода СО	3
Смеси He или H2 с галогеноводородами HBr, HCl, сероводородом H2S, гексафторидом SF6 (элегаз); красный фосфор P4; хладоны CHF3, CF4, C2F6, C3F8, C2F3Cl3	4

Обратившись к методологии функционально-экологического анализа, отражающего не только полезность, но и экологичность функций технической системы, а также материально - энергетические потоки между ее элементами и внешней средой, можно определить значимость их реализации для ущерба атмосфере [4]. Для выявления предпочтений используем метод попарных сравнений экспертных оценок подсистем и реализуемых ими функций, для чего составим матрицу бинарных предпочтений (табл.2):

Таблица 2

Матрица сравнения значимости функций

№ п/п	Функции	Ф1	Ф2	Ф3	Цена функций ci и их сумма∑сi	Значимость функции wi и их сумма∑ wi
1	Ф1		0	0	0	0
2	Ф2	0		1	1	0,33
3	Ф3	1	1		2	0,67
∑сi					3	1,0

Цена каждой функции определяется сложением по строкам c₁=0; c₂=1; c₃=2, а веса функций по формуле w_i = c_i/∑c_i, т. е. w₁=0; w₂=0,33; w₃=0,67 и, таким образом, получаем порядок предпочтения функций с точки зрения воздействия на окружающую среду и на население Ф3, Ф2, Ф1:

Определение класса экологического ущерба от реализации отдельных функций производится на основе материальных потоков СКВ по методике, аналогичной оценке условий труда по показателям вредности и опасности факторов производственной среды, тяжести и напряженности трудового процесса [5]. Здесь каждому потоку в зависимости от номенклатуры и концентрации в нем вредных примесей присваивается один из 6 классов (табл. 3).

Таблица 3

Классы экологического ущерба от функций системы

Вредные вещества	Классы экологического ущерба
	Опт	Доп.	Вредный				Опасный
	0	1	2	3	4	5	6
	Превышение ПДК (ПДВ), раз
Вредные вещества 1-4 кл. опасности, за исключением перечисленных ниже	Фон	≤ ПДК	1,1-3,0	3,1-10,0	10,1-15,0	15,1-20,0	> 20
Вещества, опасные для раз вития острого отравления остронаправленного действия	0	≤ ПДК	1,1-2,0	2,1-4,0	4,1- 6,0	6,1-10,0	> 10
Вещества, опасные для раз вития острого отравления раздражающего действия	0	≤ ПДК	1.1-2,0	2,1-5,0	5,1-10,0	10,1-50,0	>50
Канцерогены; вещества, опасные для репродукции человека	0	≤ ПДК	1,1-2,0	2,1-4,0	4,1-10,0	10,1-20	>20
Аллергены высоко опасные	0	≤ ПДК	-	1,1-3,0	3,1-15,0	15,1-20	>20
Аллергены умеренно опасные	0	≤ ПДК	1,1-2,0	2,1-5,0	5,1-15,0	15,1-20,0	>20

Установление классов экологического ущерба отдельных потоков позволяет дать общую оценку по наиболее высокому классу, который устанавливаются на основании химического состава примесей по данным анализа техпроцессов, инструментальных измерений и оценок специалистов. В случае сочетания трёх и более факторов, относящихся к классу 2, общая оценка соответствует классу 3, а при сочетании двух и более факторов классов 3, 4, 5 общая оценка выставляется на одну степень выше (табл.4).

Таблица 4

Классы экологического ущерба от основных функций СКВ

Функция	Значимость	Поток и его направление	Описание потока	Класс потока
Ф1	0,0	Наружный воздух в ЦК	Атмосфера	1
Ф2	0,33	Воздух за ЦК в ЧП	Обработанный воздух	1
Ф3	0,67	Воздух после ЧП в ОС	Загрязненный воздух	5

Исследование показало, что наибольший экологический ущерб наносит “функция по удалению отработанного воздуха” Ф3. В большинстве реально действующих СКВ непосредственно в окружающую среду удаляется не более 5-10% общего воздухообмена, хотя существуют и прямоточные системы с полным удалением отработанного воздуха. Ключевым негативным фактором такого потока является то обстоятельство, что, несмотря на декларируемые меры по обезвреживанию выбросов и соблюдение ПДК на границах санитарно – защитных зон предприятий, возможность суммации действий загрязнителей создает потенциальную опасность в селитебных зонах. Функционирующая в настоящее время на территории г. Зеленограда автоматизированная система экологического мониторинга фиксирует весьма ограниченный перечень широко распространенных загрязнителей, но не содержит в составе постов контроля необходимого инструментального оснащения для контроля специфических примесей.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что проблема выбросов предприятий микроэлектроники заслуживает пристального внимания государственных структур, промышленности, научной общественности и населения. Исследования, направленные на оценку негативного воздействия инфраструктуры чистых помещений на окружающую среду и население должны включать решение как теоретических, так и практических задач.

1. Анализ технического риска при функционировании технологического и энергомеханического оборудования.

2. Оценка экологичности полного жизненного цикла самого ЧП в комплексе с технологией и оборудованием.

3. Инвентаризация всех выбросов ЧП и определением их полей рассеивания в атмосфере при неблагоприятных метеоусловиях.

4. Анализ вероятности образования вторичных химических соединений в атмосфере.

5. Уточнение размеров санитарно-защитных зон производств электронной техники.

6. Оценка риска для здоровья населения и эколого-экономического риска.

7. Инструментальное оснащение и оптимизация размещения постов контроля системы экологического мониторинга атмосферы природно-технической геосистемы.

Список использованной литературы

1. Севрюкова Е.А. Анализ изменчивости аэрозоля при изменении влажности и выявление неблагоприятных зон в чистых помещениях микроэлектроники. Межотраслевой научно-технический журнал «ОБОРОННЫЙ КОМПЛЕКС- научно-техническому прогрессу России» г. Москва.- 2012.- №.2- С. 30-33

2. Каракеян В.И., Ларионов Н.М., Рябышенков А.С. Структуризация мероприятий по повышению эффективности чистых помещений. Наука и технологии в современном мире: материалы II Международной научно-практической конференции (Уфа, 30-31 марта 2015г.). Уфа, 2015.- 220 с., С. 94-98.

3. Каракеян В.И., Ларионов Н.М., Рябышенков А.С., Попова Н.В. Особенности организации системы мониторинга атмосферы наукоемкой природно-технической геосистемы. Экология промышленного производства, №1(85), 2014.- С.19-22.

4. Каракеян В.И., Дисветова Н.М. Функционально-экологический анализ системы кондиционирования воздуха чистых помещений. Методы анализа и контроля объектов природно-технических геосистем: сборник научных трудов/ Под ред. В.И. Каракеяна. – М.: МИЭТ, 2014. -С. 53-59.

5. Р.2.2.2006-05 "Гигиенические критерии оценки условий труда по показателям вредности и опасности факторов производственной среды, тяжести и напряженности трудового процесса"