Технологическое оборудование для микроэлектроники
8 (800) 700-08-45
+7 (812) 240-00-78     

Проблемы и состояние промышленной и экологической безопасности в высокотехнологичном производстве электроники в России

«Уровень аварийности в большинстве отраслей промышленности остается недопустимо
высоким. Пожары, взрывы, выбросы взрывопожароопасных и токсичных продуктов, другие
инциденты и аварийные ситуации ведут как к экологическому, так и к экономическому
ущербу. Изменить ситуацию коренным образом могут только законодательные
меры. К такому выводу пришли участники круглого стола «О совершенствовании
законодательства Российской Федерации в области обеспечения промышленной
безопасности опасных производственных объектов».
Ежегодный совокупный материальный ущерб от техногенных аварий, затраты
на ликвидацию аварий и их последствий составляют десятки миллиардов рублей.
Основная доля этих расходов связана с авариями на опасных производственных объектах.
В числе основных причин производственной аварийности — непродуманные проектные
и технические решения, недопустимый уровень износа основных производственных
фондов, некачественное или несвоевременное выполнение работ по обслуживанию
и ремонту, низкая технологическая и трудовая дисциплина.
Кроме того, не отвечает современным задачам система подготовки и переподготовки
специалистов для эксплуатации опасных производственных объектов, а поскольку
не реализуются крупные проекты, не получается квалифицированно обучать молодое
поколение».
«РГ-Бизнес» («Промышленное обозрение») № 850 от 5 июня 2012 г.
 

Развитие газофазных техпроцессов в электронике

Современный уровень развития микро- и наноэлектроники во многом стал возможен благодаря разработке и развитию воспроизводимых газофазных процессов осаждения, селективного удаления и модификации материалов. В отличие от предшествующей технологии, базировавшейся на процессах, проводимых в жидкой среде (жидкостное химическое и электрохимическое травление, жидкофазная эпитаксия и т. д.), газофазные процессы выгодно отличаются чрезвычайным снижением уровня вносимых загрязнений, возможностью точного управления широким диапазоном изменений параметров процесса.

В ряде технологических процессов газофазные процессы нашли широкое применение:

  • анизотропное травление химически стойких материалов (Al2O3, благородные, тугоплавкие металлы и их сплавы),
  • глубокое и сквозное травление материалов IV группы (С, Ge, Si, SiC, SiGe), соединений с высоким аспектным отношением при субмикронных топологических размерах формируемых элементов состава AIIIBV (GaAs, AlN, InP) и AIIBVI (CdTe, ZnO),
  • конформное осаждение ненапряжённых диэлектрических покрытий (SiNx, SiOx, SiONx),
  • атомно-слоевое осаждение,
  • широкий спектр диффузионных процессов,
  • газофазная эпитаксия из металлоорганических соединений.

Общая схема систем снабжения, утилизации и нейтрализации технологических газов на предприятиях микроэлектроники

 

Системы снабжения специальными технологическими газами в России

В условиях усложнившихся требований к проведению технологических процессов  при проектировании, разработке и создании систем снабжения специальными технологическими газами необходимо учитывать множество факторов, связанных не только с очисткой, прецизионной подачей и распределением, но и контролем в процессе эксплуатации качества подаваемых сред. При проектировании и создании систем для серийных производств особенно важно принимать в расчет непрерывность подачи технологических сред для безостановочного производственного процесса.

В настоящее время в Российской Федерации сложилась достаточно сложная ситуация с обеспечением безопасности и охраной труда на химически опасных производствах, в том числе и на производствах электроники, использующих в своих технологических процессах химически опасные вещества. Износ основных фондов, в том числе систем подачи технологических газов; дефицит квалифицированного персонала; нарушение в процессе проведения проектных работ норм и требований действующих нормативно-технических документов в области безопасности; отсутствие культуры работы с опасными веществами делает большинство предприятий электроники в России минами замедленного действия. Состояние дел в химической промышленности столь же неудовлетворительно. В итоге, точность проведения и повторяемость технологических процессов, и как следствие качество наукоемкой продукции остается низкой, а риски причинения вреда жизни и здоровью людей и окружающей среде высоки.

Технологи ЭлТех СПб уже сталкивались с ситуацией, когда приехавшие для проведения пуско-наладочных работ специалисты заводов-изготовителей технологического оборудования, отказывались работать в условиях «нормальной» работы российского производства. Всегда, когда европейские коллеги отказывались производить ПНР инсталлированных установок, нам приходилось разрабатывать ряд компенсирующих мероприятий и в сжатые сроки проектировать и сооружать газовые пристройки, чтобы пуско-наладочные работы были завершены в срок. Реальное же положение в отрасли электроники еще более бедственно, т.к. даже отечественные, достаточно демократичные требования чаще всего не выполняются в полном объеме.

Для безопасной, надежной эксплуатации оборудования необходимо внедрять на реконструируемых и создаваемых предприятиях основанные на мировой практике и нормах инженерные решения. Зачастую при выполнении проектов современных высокотехнологичных предприятий принятые российские нормы и ГОСТы не соответствуют более строгим мировым требованиям и новым применяемым технологиям и материалам. Казалось бы, для решения возможны 2 пути – следовать нашей нормативной базе или мировому тренду. Большинство российских предприятий электроники, встав на путь модернизации производства, четко понимают эту дилемму и вроде бы решение очевидно, но проблема в том, что в России почти нет компаний, способных обеспечить надежное инженерное решение на уровне мировых требований по соблюдению технологичности и безопасности производства без нарушения отечественных требований и стандартов. Обращение к мировым инжиниринговым компаниям невыгодно с точки зрения не только стоимости, но и неприспособленности западного стиля работы к российским условиям и нормативно-правовой базе. В сложившейся ситуации единственный выход – адаптировать мировые стандарты к требованиям российской нормативной базы для каждого отдельного проектного решения.

 

Состояние правовой базы в России

Развал научно-исследовательских и проектно-конструкторских организаций, отсутствие финансирования, фактически приостановка исследований и разработок в сфере обеспечения промышленной безопасности на фоне динамичного развития химических технологий в мире за последние годы привели к тому, что российские инжиниринговые компании действуют в условиях устаревшей нормативно-методической базы, положения которой порой противоречат друг другу.

На современном этапе стране требуется существенная корректировка ныне действующих и разработка целого ряда новых документов. Российские отраслевые нормативы не описывают условия работы с рядом новых технологий, использование новых химических соединений и материалов. Изменения в нормативной базе происходят крайне медленно и слабо реагируют на вызовы инновационной экономики.

Проблема усугубляется наличием значительного количества морально устаревших технологий и оборудования, все еще применяемых на отечественных предприятиях. Введение мировых стандартов промышленной безопасности поставит такие производства в условия постоянных выплат за их нарушение, а в действительности только расширит коррупцию в надзорных и контролирующих органах. Конечно, такое положение неприемлемо, но совершенно неясно, почему на фоне повсеместной модернизации предприятий электроники в стране не принимаются соответствующие нормативы для модернизируемых производств. Лоббирование старых советских проектных институтов здесь играет свою не слишком передовую роль. Еще раз подчеркну, речь идет о ситуации в высокотехнологичных производствах – это электроника и смежные сферы, химическая отрасль, фармацевтика. На предприятиях, менее требовательных к точности технологических процессов, сложности инженерных систем и безопасности производства, российская школа инженерии достаточно сильна.

Неудовлетворительное техническое состояние предприятий электроники, наличие физически и морально устаревшего оборудования и технологий, нарушение технических стандартов и правил эксплуатации, норм размещения опасных производств привели к повышению вероятности возникновения аварий. Однако предприятия продолжают тратить огромные средства на уплату штрафов вместо того, чтобы разрабатывать дополнительные компенсационные мероприятия по повышению защищенности персонала предприятий от химически опасных факторов и внедрять надежные, передовые решения в области инженерии.

 

Экологический аспект снабжения технологическими газами в России

Наибольшую тревогу вызывают выбросы в секторе производства полупроводниковых приборов и электронной аппаратуры, образующиеся в ходе процессов диффузии, очистки и травления и содержащие парниковые газы, токсичные, химически и коррозионно-активные (пары кислот, легирующие примеси, чистящие газы и летучие органические соединения).

Для понимания степени загрязнения окружающей среды в таблице 1 представлены данные об относительном времени распада в атмосфере вышеперечисленных газов.

 Таблица 1. Относительное время распада в атмосфере и соответствующее значение GWP

 Снабжение предприятий электроники. Относительное время распада в атмосфере и соответствующее значение GWP

Реконструкция предприятий в соответствии с мировыми стандартами требует не только привлечения грамотных инжиниринговых компаний России, но и участия предприятий в борьбе с загрязнениями, отказа от использования наиболее вредных веществ. Например, перфторуглероды (ПФУ) – CF4, C2F6 и C3F8, трехфтористый азот (NF3), HFC-23 (CHF3) и гексафторид серы (SF6) используются при производстве полупроводниковых приборов в качестве чистящих газов в системах газофазного осаждения, при плазменном травлении и в производстве тонкопленочных транзисторов. Но, например, есть возможность произвести замену C2F6 на менее вредные NF3 или c-C4F8 в качестве альтернативного чистящего газа для камеры. Коэффициент глобального потепления для NF3 в 47 раз меньше, чем у CF4, и в 12 раз меньше, чем у SF6, но дороговизна NF3 тормозит его широкое использование.

В России предприятия электроники чаще всего комплектуют системы нейтрализации отработанных газовых сред «сухими» абсорбирующими системами очистки, которые малоэффективны для больших потоков производственных выбросов и неспособны переработать некоторые перфторуглеродные соединения. Поэтому «сухие» системы очистки в производстве электроники требуют дополнительных процессов дожига или нагрева с последующей химической обработкой до малоагрессивных, безвредных элементов и соединений. Для очистки от фторсодержащих компонентов используются системы очистки “burner-washer”, применяющие сжигание газообразных технологических отходов и растворение продуктов горения с их последующей утилизацией. В свою очередь, системы утилизации, работающие на принципе дожига технологических выхлопов, в отдельных случаях могут приводить к образованию опасных NOx соединений и требуют дополнительной нейтрализации до установленных местными органами значений предельно допустимой концентрации (ПДК). «Сухие» системы хорошо показали себя в металлургии, при работе с простыми неорганическими соединениями, но их эффективность при очистке элементоорганических и других соединений, использующихся в производстве электроники, недостаточна.

Подбор системы утилизации выхлопов технологического оборудования требует не только знаний физико-химических принципов протекания технологических процессов, но и практического опыта внедрения систем экологической безопасности с соблюдением природоохранного законодательства. Итогом установки системы утилизации должна быть минимизация опасных выбросов производства, а не факт бесцельного функционирования нескольких «очищающих» скрубберов.

 

Общие принципы проектирования систем снабжения технологическими газами 

Создание систем снабжения технологическими газами требует профессиональной инженерной разработки, т.к. качество, непрерывность и точность подачи сред влияет на характеристики технологического процесса, а следовательно, и конечного продукта, безопасность персонала, эксплуатационные возможности оборудования. Необходимо учитывать, что система снабжения технологическими газами – это набор сложных комплексных инженерных решений, включающих в себя системы хранения, генерации, подачи, очистки, осушки, продувки, распределения технологических сред; систему трубопроводов; системы детектирования утечек опасных газов, аварийной сигнализации и вентиляции, мониторинга и диспетчеризации. Укрупненная схема системы снабжения технологическими газами изображена на рисунке.

Блок-схема систем снабжения технологическими газами предприятий электроники

Все перечисленные системы должны быть взаимосвязаны для устранения любых аварийных ситуаций и своевременного предупреждения персонала об опасности.

При проектировании опасных производственных объектов необходимо учитывать ряд основных принципов работы систем газоснабжения, регламентированных правилами промышленной безопасности, санитарными нормами и требованиями по охране труда:

  • Источники снабжения технологическими газами (газовые баллоны и контейнеры с жидкими прекурсорами) должны размещаться в программно-управляемых автоматических взрыво- и пожарозащищенных газовых шкафах, оснащенных автономными системами диагностики состояния и аварийного отключения подачи газа.
  • Газовые шкафы должны располагаться в изолированных взрывобезопасных помещениях с автономной системой воздухообмена и пожаротушения с учетом установленных существующими нормативами компенсирующих мероприятий.
  • Транспортировка газов должна осуществляться по трубопроводам, выполненным  из химически стойких, конструктивно прочных материалов, таких как электрополированная нержавеющая сталь. Качество и метод полировки внутренней поверхности труб устанавливается в зависимости от подаваемой среды и технологических характеристик производимых изделий. Особо опасные газы должны транспортироваться по коаксиальным трубам.
  • Надёжность неразъёмных соединений газовых трубопроводов достигается благодаря применению автоматической аргонодуговой сварки.
  • Разъёмные соединения трубопроводов, газораспределительные шкафы и панели должны помещаться в ограниченный объём, оснащаться вытяжной вентиляцией, датчиками обнаружения утечки, задымления и возгорания. 
  • Сигналы контроллеров и датчиков от газораспределительных устройств должны поступать в единую систему мониторинга, обрабатывающую также сигналы управления и обслуживания контроллеров технологических установок-потребителей. Таким образом, режимы работы системы газоподачи и распределения оказываются взаимосвязанными с режимами работы технологических установок, что сводит к минимуму человеческий фактор в управлении этими системами, обеспечивает максимальную безопасность и качество проведения технологических процессов.
  • Вышеперечисленные факторы должны учитываться и подкрепляться расчетами и обоснованиями еще на стадии разработки предпроектных решений.

Кроме того, при проектировании систем утилизации с использованием сложных систем очистки типа “burner-washer” требуется организация дополнительных систем снабжения природным газом и кислородом, систем аварийной вентиляции и сигнализации, автоматизация систем подачи технологических сред и работы технологического оборудования. Байпасная система аварийного выброса со скрубберов, в свою очередь, требует для работы наличие системы флегматизации, организацию дополнительной системы снабжения азотом и автоматическую координацию работы с режимами работы скруббера.

Только систем для утилизации токсичных и опасных газов существует несколько видов: химические, плазменные, адсорбционные. К примеру, при проектировании систем снабжения металлорганическими жидкостями (DEZ, TMA, TMG и пр.) необходимо учитывать возможность чистки системы от коагулянтного осадка, устраняя любой выброс вещества в атмосферу.

Выбор инженерного решения при проектировании должен быть основан не только на критериях технологичности, надежности и безопасности, но и быть оптимальным с точки зрения затрат при эксплуатации, срока службы и эффективности работы оборудования.

Безопасность и надежность работы инженерных систем зависит от качества выполнения проектных решений. Состав проектной документации подраздела снабжения технологическими газами должен включать в себя:


  • нормирование видов и лимитов топлива и газов для установок;
  • характеристики источников снабжения газами;
  • сведения о типе и количестве оборудования, потребляющего специальные газы;
  • описание технических решений по обеспечению технологического оборудования необходимыми газами, а также по обеспечению учета и контроля расхода газа;
  • описание и обоснование применяемых систем автоматического регулирования и контроля расходов специальных газов;
  • описание способов контроля температуры и состава продуктов сгорания газа;
  • обоснование выбора маршрута прохождения газопроводов;
  • перечень мероприятий по обеспечению безопасности функционирования объектов системы снабжения технологическими газами, описание и обоснование инженерных систем контроля и предупреждения возникновения потенциальных аварий, систем оповещения и связи;
  • мероприятия по созданию аварийной спасательной службы и мероприятия по охране систем снабжения технологическими газами - для объектов производственного назначения;
  • схему маршрута прохождения газопровода с указанием границ его охранной зоны и сооружений на газопроводе;
  • план расположения производственных объектов и газоиспользующего оборудования с указанием планируемых объемов использования;
  • план расположения объектов капитального строительства и газоиспользующего оборудования с указанием планируемых объемов использования;
  • план сетей снабжения технологическими газами.

 

Практика проектирования высокотехнологичных производств компании ЭлТех СПб

Раздел снабжения технологическими газами проектной документации является частью тома «Технологические решения» (в соответствии с 87 постановлением Правительства – аббревиатура ТХ). Качество и степень проработки заложенных в томе ТХ технологических решений напрямую влияет на правильность разработки всех смежных разделов, в том числе и раздела, посвященного технологическим газам. При проектировании наукоемких предприятий раздел «Технологические решения» является основой как для разработки архитектурно-планировочных решений, так и для инженерных систем.  Том ТХ включает оценку производственных и других площадей объекта, учет технологических маршрутов и транспортных потоков, планировочные решения производственных участков, описывает модель функциональных связей, условия безопасности на производстве.

Для оптимизации временных и финансовых затрат рекомендуется в рамках подготовительных работ по проектированию включать стадию разработки предпроектных решений. Задачей этого этапа является создание укрупненной модели производства: прорабатывается актуальность технологий, согласуются ключевые решения, уточняются имеющиеся данные, объем недостающих данных дополняется необходимой информацией. На данном этапе проводятся изыскания на предмет скрытых проблем проекта, которые могут препятствовать проектированию либо в значительной степени повлиять  на его результат. Уже на этом этапе работ необходимы согласованные действия инженеров-технологов и проектировщиков, поскольку влияние технологического аспекта на облик всего предприятия усиливается по мере усложнения используемых технологических решений.

После информационно-аналитической подготовки, проведенной на предыдущей стадии, можно приступать к созданию эскизного проекта. Основной целью разработки эскизного проекта является написание технического задания для разработки проектной документации. В ходе эскизного проектирования проводится оптимизация исходных данных, на основе которых создается модель будущего производства. В отличие от первоначального технического задания, эскизный проект учитывает взаимное влияние собранных данных и предполагает формирование оптимальной модели производства, учитывающей влияние взаимоисключающих факторов.

Ниже перечислены основные технологические задачи, которые решаются для ключевых разделов проектирования на этапе разработки эскизного проекта: 

  • экспертная оценка и согласование всех аспектов технологического процесса, параметров конечного изделия;
  • экспертная оценка, построение и согласование списка технологического оборудования и конфигурации отдельных единиц;
  • проверка целостности и полноты исходных данных, приведенных в документации на технологическое оборудование;
  • сбор данных для таблицы потребления производства (Utility matrix);
  • разработка схемы размещения оборудования, концепции потенциального расширения производства и возможного изменения технологических маршрутов;
  • построение модели движения продукции по технологическому маршруту (Material flow) и оптимизация размещения технологического оборудования в зоне чистых помещений (Equipment layout);
  • разработка схемы движения персонала и материалов на производстве (Personnel and material movement);
  • оценка перечня необходимых производственных помещений и нормативных требований к их проектированию (Factory layout);
  • построение модели затрат производственного цикла: время прохождения производственного цикла, необходимые ресурсы, стоимость эксплуатации оборудования (Manufacturing cycle);
  • на этапе подготовки эскизного проекта задачи обеспечения технологическими газами, утилизации и нейтрализации отходов должны включать проработку следующих положений:
  • определение классов опасности процессных и технологических газов (MSDS карты), а также нормативных требований к проектным решениям;
  • разработка концепции построения системы снабжения технологическими газами;
  • разработка предварительных решений по организации трассировки технологических трубопроводов;
  • решения по размещению наружных установок хранения и производства специальных газов;
  • планирование затрат на создание и эксплуатацию системы снабжения газами.
     

Итогом разработки раздела «Технологические решения» становится набор концепций и расчетных параметров производства, который согласовывается с Заказчиком. В ходе дальнейшего выполнения работ по проекту изменения данного подраздела следует по возможности минимизировать.

 

Заключение

Российская инжиниринговая практика создания современных наукоемких производств только восстанавливается после нескольких десятилетий фактического бездействия. Уровень развития технологий и, как следствие, требований к инженерному обеспечению работы высокотехнологичных предприятий за этот период ушли далеко вперед. Сложные системы обеспечения работы технологического оборудования требуют детальной проработки и комплексного решения со стороны как инженеров-технологов, так и специалистов, занятых проектными работами, еще на стадии формирования задач на создание или модернизацию производства.

Отраслевая нормативная база, законодательство по вопросам безопасности производства и окружающей среды, страхования, социальной защиты пострадавших при техногенных катастрофах трансформируются к современным условиям достаточно низкими темпами, что  затрудняет проведение мероприятий по обеспечению безопасности производства и защите персонала. В этих условиях российские инжиниринговые компании должны не только  следовать российским отраслевым нормативам, но и стараться адаптировать их к более требовательным мировым стандартам.

Зачастую предприятия своими силами пытаются определить технологическую базу будущего производства, провести трансфер технологии, ограничиваясь элементарной покупкой технологической линии. Как правило, результат такой деятельности прямо противоположен его целям. Фактически все предприятия, выбрав подобный путь, допускают 2 фатальные ошибки:

  • недостаточная проработка всех технологических аспектов приводит к ошибочному выбору технологической линейки и, в конечном счете, неконкурентоспособности конечных изделий,
  • неосведомленность в тонкостях проектирования предприятия, функционирования техпроцессов и корректного обеспечения работы технологического оборудования ведет в лучшем случае к затягиванию сроков запуска предприятия, в худшем – к новому этапу реконструкции.

При проектировании высокотехнологичных предприятий необходима предварительная проработка и обоснование выбора технологий еще на стадии предпроектных работ. Недостаточно просто проанализировать доступную информацию, нужно учитывать тенденции рынка в данной сфере, понимать глубину развития прикладных исследований и производственных технологий, изучить опыт западных предприятий и центров технологической компетенции. Только на основе полученных знаний о технологии следует приступать к инжиниринговой проработке и проектированию предприятия, а не закупке технологической линии. Только так можно избежать грубых ошибок и создать технологичное, безопасное и экономически эффективное предприятие.