La gestión de los gases de grabado comienza fuera de la cámara
El grabado en seco empleado en la fabricación de pantallas es un proceso que activa gases reactivos dentro de una cámara de vacío para eliminar selectivamente la película deseada. Como los operarios solo ven equipos cerrados, es fácil percibir el proceso como un sistema confinado. Sin embargo, el límite real de la gestión de la seguridad se extiende desde el suministro de gas y la cámara hasta la entrada y la salida de la bomba de vacío, el equipo de abatimiento en el punto de uso, los conductos de extracción comunes, la instalación central de tratamiento y el punto de emisión. Si la capacidad de captación o el equilibrio de presiones falla en cualquier tramo, sustancias que estaban confinadas pueden desplazarse a la sala de equipos y a las zonas de mantenimiento.
La extracción del grabado no es una mera cuestión de ventilación. Por ella circulan conjuntamente componentes del gas de proceso que atraviesan el sistema sin reaccionar, subproductos recién formados en el plasma, partículas desprendidas del sustrato o de las paredes de la cámara y sustancias procedentes del aceite de la bomba o del sistema de limpieza. Por tanto, el hecho de que el detector del armario de gases funcione con normalidad no permite concluir que todo el sistema de extracción sea seguro. Hay que relacionar el inventario de sustancias químicas del proceso con el diagrama de flujo de extracción y comprobar qué se desplaza y hacia dónde en cada estado: funcionamiento normal, parada, purga, anomalía y mantenimiento.
La guía de la Administración de Seguridad y Salud Ocupacional de Estados Unidos sobre el proceso de fabricación de dispositivos semiconductores explica que, durante el grabado en seco, se activan gases fluorados o clorados y que los productos volátiles de la reacción se evacuan mediante el sistema de vacío. Este principio también resulta útil al evaluar la extracción en el grabado de pantallas, pero las sustancias y concentraciones reales, así como la configuración de los equipos, deben verificarse de nuevo en la documentación de seguridad y de las instalaciones de cada centro de trabajo.
Bajo la misma denominación de «gas de grabado» existen riesgos distintos
Gestionar los gases halogenados y fluorados como un único grupo de gases tóxicos hace que se pasen por alto diferencias importantes. En las sustancias cloradas deben considerarse conjuntamente la toxicidad por inhalación, su fuerte capacidad irritante y la posibilidad de formar ácidos corrosivos al entrar en contacto con la humedad. Entre las sustancias fluoradas coexisten componentes que plantean riesgos directos de corrosión y toxicidad con otros en los que la persistencia atmosférica a largo plazo y el efecto invernadero importan más que la toxicidad aguda. Incluso los gases portadores o de purga que parecen inertes pueden generar un riesgo de deficiencia de oxígeno en espacios cerrados.
La tabla de gases de grabado por plasma de OSHA muestra que, según el material que se desee grabar, pueden utilizarse sustancias muy diversas, entre ellas CF4, C2F6, C3F8, CHF3, SF6, HF, cloro y BCl3. La lista es un ejemplo para comprender la diversidad de los riesgos; no representa la combinación de alimentación ni las condiciones de una línea de pantallas concreta. En cada instalación, los grupos de riesgo reales deben determinarse a partir de las fichas de datos de seguridad, los planos del sistema de suministro, el inventario de sustancias químicas de cada equipo y los registros de gestión de cambios.
En particular, no debe suponerse que todos los gases fluorados pueden detectarse de la misma manera ni que ofrecen la misma eficiencia de abatimiento. La información de la Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos sobre los gases fluorados de efecto invernadero en la industria de los semiconductores señala que parte de los gases fluorados introducidos en el proceso puede atravesarlo sin reaccionar y que las emisiones varían según el tipo de gas, el equipo, las condiciones del proceso, la formación de subproductos y la presencia o ausencia de sistemas de abatimiento. Los criterios de gestión deben abarcar no solo la cantidad introducida, sino también las sustancias que permanecen realmente en la corriente de extracción y su estado después del tratamiento.
La evaluación de riesgos debe responder, como mínimo, a las preguntas siguientes.
¿Cambian los componentes emitidos durante el funcionamiento normal, la limpieza de la cámara, la purga y la parada del equipo?
¿Qué gases ácidos o precipitados sólidos se forman cuando los gases de proceso entran en contacto con humedad, aire u otras corrientes de extracción?
¿Aumenta la cantidad de gas sin reaccionar cuando varían la temperatura, la presión o el caudal de la bomba de vacío y del equipo de abatimiento?
Cuando confluyen las extracciones de equipos distintos, ¿aumentan de nuevo la reactividad, la condensabilidad, la inflamabilidad o la corrosividad?
¿Los detectores cubren adecuadamente no solo los gases de proceso, sino también los subproductos previstos y los escenarios de deficiencia de oxígeno?
En la extracción localizada son esenciales la captación en el foco y el mantenimiento de la presión negativa
La extracción localizada no es un sistema destinado a diluir contaminantes después de que se hayan dispersado por la zona de respiración de los trabajadores, sino un control técnico que los capta directamente en los posibles puntos de fuga. Deben evaluarse por separado todos los puntos con posibilidad de emisión, como los armarios de gases, los colectores de válvulas, las aberturas de las cámaras, las salidas de las bombas de vacío, las conexiones de los equipos de abatimiento y los puntos de reposición de productos químicos. Incluso si hay una campana o un cerramiento, hay que comprobar que se mantiene la dirección de captación necesaria cuando se abre una puerta o se conecta un conducto provisional.
La guía HSG258 del organismo británico de seguridad y salud sobre el diseño y la inspección de la extracción localizada trata como un único sistema las campanas, los conductos, los ventiladores, los equipos de depuración del aire, la documentación y el programa de inspección y mantenimiento. Desde esta perspectiva, lo importante no es la indicación de que el ventilador está en marcha, sino que la capacidad de captación diseñada se mantenga en las condiciones reales de funcionamiento. Deben verificarse conjuntamente la base para fijar las alarmas de presión diferencial o caudal, la ubicación de los sensores, los intervalos de calibración, la posibilidad de funcionamiento en derivación y la lógica de parada del proceso cuando se activa una alarma.
En la medida de lo posible, el sistema de extracción debe mantener de forma continua una presión negativa y evitar el retorno del aire contaminado hacia zonas limpias o tomas de aire del sistema de climatización. El equilibrio entre el aire de aporte y el caudal extraído, la apertura de puertas, el funcionamiento simultáneo de equipos próximos, la obstrucción de filtros y los cambios de posición de las compuertas afectan a la capacidad de captación. En vez de conservar únicamente un valor medido durante la puesta en marcha, deben establecerse valores de referencia representativos de la producción normal, la carga simultánea máxima, la carga reducida, la parada de emergencia y la preparación para el mantenimiento.
Los equipos de abatimiento se evalúan según su rendimiento para cada gas y sus condiciones de funcionamiento
Para abatir los gases de extracción del grabado pueden emplearse combustión, descomposición térmica, descomposición por plasma, absorción húmeda o combinaciones de estos métodos. Sea cual sea la técnica, no basta con que el equipo esté instalado. Hay que comprobar que sea adecuado para los gases y subproductos que debe tratar, que no se supere el caudal de diseño, que se suministren el combustible, el oxidante, el agua, los reactivos líquidos y la electricidad necesarios, y que las temperaturas y presiones aguas arriba y aguas abajo se mantengan dentro de los límites permitidos. Las tuberías de derivación y las vías de descarga de emergencia están sujetas a la misma gestión.
La guía de la EPA para medir la eficiencia de abatimiento de gases fluorados en la industria electrónica explica que, para reconocer una eficiencia de abatimiento, el equipo debe funcionar dentro de las especificaciones del fabricante y que son importantes condiciones como la purga de la bomba de vacío, el combustible y el oxidante, los caudales y presiones de alimentación y extracción, y la calidad, el caudal y la presión del agua. Por tanto, los indicadores de gestión en planta deben incluir las variables críticas de operación que determinan el rendimiento real, y no limitarse a una señal de marcha.
Las eficiencias de destrucción y eliminación no son iguales para todos los gases, y el rendimiento puede variar con las mezclas de gases y los cambios de carga. Las pruebas periódicas de rendimiento deben reflejar condiciones de funcionamiento representativas; la ubicación de la medición y el método de toma de muestras también influyen considerablemente en los resultados. Cuando solo se comparen las concentraciones antes y después del equipo de abatimiento, deben corregirse asimismo los efectos de los cambios de caudal y de la dilución. Los valores de eficiencia de eliminación deben gestionarse junto con las condiciones de medición, la sustancia objetivo, el periodo de validez y la incertidumbre.
Los lavadores húmedos absorben gases ácidos, pero pueden acumular en la fase líquida iones fluoruro, sales y sólidos. El estudio detallado de la EPA sobre las aguas residuales de la fabricación de componentes eléctricos y electrónicos señala que los lavadores húmedos utilizados para abatir gases fluorados de efecto invernadero pueden estar vinculados a fuentes de fluoruro en las aguas residuales de la industria de semiconductores. El balance de materiales no termina con la eliminación de la contaminación atmosférica: debe prolongarse hasta la sustitución de reactivos, la purga de líquido, los lodos, el tratamiento de aguas residuales y la entrega de los residuos.
El conducto es a la vez un reactor invisible y una señal del estado del sistema
En el interior de los conductos de extracción se producen enfriamiento, condensación, entrada de humedad, mezcla de corrientes distintas y deposición de partículas. Si se forman ácidos corrosivos, disminuye el espesor de las paredes del conducto y aumenta la posibilidad de fugas en bridas y soldaduras. La acumulación de depósitos reduce la sección útil, modifica la presión diferencial y puede llevar sólidos desprendidos hasta el ventilador o la instalación de tratamiento. Algunas mezclas también pueden generar riesgos de incendio o de reacción rápida, por lo que la posibilidad de confluencia debe evaluarse durante el diseño.
La guía de la EPA para estimar las emisiones atmosféricas de la fabricación de semiconductores menciona tanto el riesgo de incendio y explosión por gases inflamables o pirofóricos en los conductos de extracción de semiconductores como el riesgo de corrosión por subproductos como el cloruro de hidrógeno, que pueden proceder de gases de grabado clorados y de BCl3. Esto significa que los conductos deben tratarse como equipos de proceso en los que puede cambiar el estado químico, no como simples tuberías de transporte.
Es preferible no depender de un solo tipo de sensor para vigilar los conductos. La relación entre los elementos siguientes permite detectar antes las anomalías.
Caudal de extracción o presión estática de cada equipo y tendencia de presión del colector común
Presión diferencial antes y después de filtros, colectores y equipos de abatimiento, y velocidad de aumento
Temperatura, estado de la superficie y drenaje en los tramos donde se prevean condensación o reacciones
Resultados de las mediciones de espesor en puntos vulnerables a la corrosión y rastros de fugas en bridas, juntas de dilatación y registros de inspección
Registros de alarmas, fallos, calibraciones y pruebas de los detectores de gases y de oxígeno
Indicadores de control de los reactivos del lavador, caudal de recirculación, obstrucción de boquillas y variaciones de la carga de aguas residuales
Correlación temporal entre la corriente y la vibración del ventilador, la posición de las compuertas y el estado de funcionamiento del proceso
Las alarmas no deben limitarse a recopilar cifras. Por ejemplo, si aumentan simultáneamente la presión diferencial y la pérdida de caudal, debe considerarse la posibilidad de deposición u obstrucción; si la presión diferencial desaparece de forma repentina, debe investigarse una posible rotura del conducto o la apertura de un registro de inspección. Deben prepararse métodos de comprobación independientes y procedimientos de respuesta en planta que permitan distinguir un fallo del sensor de una anomalía real del proceso.
El mantenimiento comienza después de aislar también los residuos y las fuentes de energía
Durante el mantenimiento de los sistemas de extracción, la probabilidad de exposición puede ser mayor que durante la producción normal. Al abrir conductos, bombas y lavadores, los gases residuales invisibles, los condensados corrosivos y los depósitos secos aparecen juntos en la zona de trabajo. No se debe confiar únicamente en la indicación de parada del proceso: los gases de proceso y de purga, el vacío, la electricidad, las fuentes de calor, los elementos giratorios, los reactivos líquidos y las tuberías conectadas deben aislarse con arreglo al permiso de trabajo. Tras el aislamiento, es necesario realizar una purga y ventilación suficientes, eliminar la presión residual y comprobar las concentraciones.
La evaluación de riesgos previa al mantenimiento debe incluir las sustancias utilizadas recientemente, el último estado de funcionamiento, las alarmas anómalas, cualquier derivación del equipo de abatimiento, el historial de limpieza de los conductos y los datos analíticos. Si se desconoce la composición de un depósito, no debe suponerse que es polvo no peligroso. Los métodos de muestreo o apertura deben definirse considerando la posibilidad de dispersión y de contacto con la humedad; también deben prepararse el aislamiento de la zona de trabajo, la captación localizada, los equipos de protección, el embalaje de contaminantes y los medios de descontaminación de emergencia. No se debe acceder con un respirador de uso rutinario a espacios con concentraciones desconocidas o que puedan presentar un peligro inmediato.
La guía química de NIOSH sobre el fluoruro de hidrógeno explica que el fluoruro de hidrógeno puede dañar los ojos, la piel y las vías respiratorias, causar edema pulmonar y quemaduras, y atacar metales, vidrio y hormigón. Si existe la posibilidad de subproductos fluorados en el sistema de extracción, deben comprobarse de antemano la compatibilidad de materiales, la descontaminación de emergencia, la evaluación de la exposición y la respuesta ante emergencias. Los equipos de protección no sustituyen a los controles técnicos, sino que constituyen la última barrera para reducir el riesgo residual.
Una vez terminado el mantenimiento, no basta con comprobar que el montaje esté completo. El sistema debe ponerse en marcha por etapas después de verificar el cierre de registros de inspección y bridas, la posición de las compuertas, la reposición de los sensores, el sentido de giro del ventilador, el caudal de extracción y los servicios auxiliares y enclavamientos del equipo de abatimiento. La corrosión, los depósitos, la decoloración, las fugas de líquido y los subproductos imprevistos que se detecten durante el trabajo deben registrarse con fotografías y datos sobre su ubicación, espesor o resultados analíticos, e incorporarse al siguiente intervalo de inspección y a las mejoras de diseño.
Sistema mínimo de gestión que debe mantener el equipo de operaciones
Primero, hay que mantener en planos actualizados las sustancias químicas y conexiones de extracción de cada equipo. La capacidad de extracción y la adecuación de los equipos de abatimiento deben reevaluarse cuando se modifique el proceso, se sustituya un gas, aumente la producción, se añada una cámara o se cambie la confluencia de conductos. Segundo, deben gestionarse por separado la capacidad de captación y la de abatimiento. La exposición en el lugar de trabajo puede ser baja mientras las emisiones atmosféricas son elevadas, y puede haber fugas entre el equipo y el conducto aunque el equipo de abatimiento funcione con normalidad.
Tercero, deben evaluarse conjuntamente los indicadores adelantados y los indicadores de resultados. El caudal, la presión, la temperatura, el estado de los reactivos líquidos, la calibración de los sensores y los plazos de mantenimiento son indicadores adelantados que muestran cambios antes de un incidente. Las mediciones del ambiente de trabajo, los episodios de fuga, la eficiencia de abatimiento, la carga de fluoruro en las aguas residuales y la tasa de corrosión reflejan los resultados reales. Si ambos tipos de indicadores no coinciden, deben revisarse la ubicación de la instrumentación y la lógica de gestión.
Cuarto, hay que definir claramente la autoridad ante estados anómalos. Si se detecta una disminución del caudal de extracción, la pérdida de servicios auxiliares del lavador, una alarma de gas tóxico, una fuga en un conducto o un depósito no identificado, debe estar establecido quién detiene el proceso y quién autoriza su reinicio. Para evitar que se eludan alarmas por temor a pérdidas de producción, deben documentarse la autorización de la derivación, el límite temporal, las medidas compensatorias y la confirmación de la restauración.
Quinto, la formación en planta no debe limitarse a memorizar nombres de gases. Los trabajadores deben comprender el recorrido de la extracción, el significado de las alarmas, las rutas de evacuación, los contactos de emergencia, la ubicación de lavaojos y duchas y el control de acceso durante el mantenimiento. Si los responsables de instalaciones, medio ambiente, seguridad, producción y mantenimiento practican escenarios anómalos utilizando el mismo diagrama de flujo, pueden reducirse las lagunas entre departamentos.
La clave es la continuidad de todo el recorrido de extracción
La seguridad de los gases de grabado de pantallas no se consigue con un detector concreto ni con un solo lavador. Los distintos riesgos de los gases de proceso, los subproductos del plasma, la captación en el foco, los conductos a presión negativa, el rendimiento de abatimiento específico de cada gas, los residuos líquidos y los residuos del mantenimiento forman un único sistema continuo. La gestión más eficaz consiste en hacer visible este flujo mediante planos y datos, detectar pronto los cambios que quedan fuera del intervalo de diseño y volver a demostrar el rendimiento después del mantenimiento.
Antes de la aplicación en planta deben consultarse prioritariamente la información de seguridad del proceso, las fichas de datos de seguridad, los límites legales de exposición y emisión, el intervalo de funcionamiento del fabricante y el plan de respuesta ante emergencias del centro de trabajo. Este artículo explica principios de gestión y no especifica la composición de los gases, el caudal, la potencia, la presión ni las condiciones de eliminación de ningún proceso concreto.