水回收再利用專輯 土木水利 第二十八卷 第四期 土木水利 第二十八卷 第四期 民國九十一年二月，第64–71頁 Civil and Hydraulic Engineering Vol. 28, No. 4, February 2002, pp. 64–71 半導體廠化學機械研磨廢水回收再利用
可行性評估
羅 金 生1 駱 尚 廉2
摘 要
半導體隨著IC元件逐漸進入小尺寸高聚集化之多層導線後，對平坦化技術的需求顯得更加重要，化學機械研磨 (CMP) 製程也因此逐漸被廣泛使用。對於研磨過程所排放之研磨廢液及清洗廢水若處理不當直接排放則容易造成環境污染，若不加以回收則造成水資源浪費等問題。目前大部份半導體廠皆採用傳統化學混凝沉澱方式來處理CMP廢水，此種處理程序缺點甚多，諸如：設備佔地面積大、混凝劑加葯量多、污泥產生量多、操作及處理水質不穩定，且處理水直接排放並未予回收再利用。本研究利用一套小型模廠包括化學混凝前處理，結合陶瓷膜微過濾系統再搭配活性碳吸附及逆滲透系統組合來進行CMP實廠廢水處理，以期達到處理水回收再利用的目的。
由實驗得知模廠設備對CMP廢水之各水質成份去除率極高，處理水質能合乎回收至超純水製程之使用標準。以模廠之操作數據及條件做為擴大為實廠設計之依據，並估算廢水操作費用約為43元／噸，與傳統化學混凝沉澱後之處理水再經高級處理以達回收水質標準之操作費用約為57.5 ~ 86元／噸比較，顯示化學混凝及薄膜結合是相當經濟、時效性且合時宜的，最重要的是透過此種處理程序，可將CMP廢水處理至良好的回收水標準，達到半導體產業製程用水85% 回收的目標，得到優良的水質，亦解決傳統處理的問題。
關鍵詞：化學機械研磨廢水、超純水、陶瓷膜微過濾系統。
一、前 言
12
化學機械研磨 (Chemical Mechanical Polishing) 是晶圓表面平坦化的方法之一，
國立台灣大學環境工程學研究所碩士、美濾淨合股份有限公司總經理 國立台灣大學環境工程學研究所教授
– 64 –
土木水利 第二十八卷 第四期
又稱為化學機械平坦化 (Chemical Mechanical Planarization) 兩者皆簡稱為CMP，是目前積體電路製程中最受矚目的新技術。研磨過程之後需採用大量的超純水來洗淨晶圓表面所殘留的懸浮微顆粒或金屬離子污染物，因而產生CMP研磨廢液及後段清洗廢水。根據統計CMP廢水約佔半導體製程總廢水量之15 ~ 25%。由於各廠所採用的製程及化學葯品種類不同，因此所排放廢水種類之歸納及組成濃度亦大不相同，但CMP廢水卻有逐年增加的趨勢。
過去對CMP廢水之處理，大部份採用化學混凝沉澱方式，且將處理後之澄清液直接排放，並未做回收再利用的考量。由於化學混凝沉澱處理程序具有多項缺失，尤其是CMP廢水中含多量極微細的顆粒雜質呈現穩定分散狀態，必須藉助適當的混凝劑，並在合適的pH值範圍內才能達到混凝的效果，因此在操作上不易控制，經常發生放流水中懸浮微粒或濁度過高的現象。雖然近年來逐漸採用薄膜微過濾 (Microfiltration, MF) 系統將過濾水回收做為冷卻水塔補充水、洗滌塔清洗水或一般清洗用途，其利用性並不大。若能將過濾水質提昇再回收至超純水製程使用，勢必可提高其利用價值。
本實驗藉著整套小型模廠，先以化學加葯混凝做前處理，即採用不增加污泥的有機混凝劑，配合調整廢水pH值在3.5 ~ 4.0之間，能有效地降低微顆粒的界達電位，並藉著顆粒間的電性中和，以使微顆粒去穩定化而形成膠羽並使成長顆粒遠大於0.2?m容易被陶瓷膜過濾系統濾除。本模型廠之操作條件取決於實驗室之先導研究結果，例如瓶杯試驗以取得最佳化學混凝操作條件及活性碳吸附流速、填充高度、接觸時間及逆滲透之相關研究等數據。因此藉著實驗室的操作數據及工程上之實務經驗將模型廠做有系
統的建立。本實驗係以實廠CMP廢水做為研究對象，經模廠實驗結果後所得之操作數據及經驗再擴大至實廠的規模，並以實驗結果來估算每單位廢水量回收之操作成本費用，並與傳統化學混凝沉澱處理後直接排放之處理費用做比較評估，以做為今後再研究此類廢水回收評估之參考。
二、化學機械研磨廢水性質及處理技術
2.1 化學機械研磨廢水性質
一般半導體CMP製程將研磨液粗分為氧化膜及金屬膜研磨液，研磨液中含有： (1) 研磨粉末：SiO2、Al2O3、CeO2、ZrO2。 (2) pH緩衝劑：KOH、NH4OH、HNO3或有
機酸。
(3) 氧化劑：H2O2、硝酸鐵、碘酸鉀、鐵氰
化鉀。
(4) 研磨蝕刻薄膜物質：SiO2、W、Al、Cu、
Na、K、Ni、Fe、Zn。
(5) 其他添加劑：界面活性劑、螯合劑、腐
蝕抑制劑。
因此研磨廢液及後段清洗廢水中含有多量懸浮微顆粒、SiO2及少量H2O2及金屬離子等污染物。
2.2 化學機械研磨廢水處理技術
國內外目前已被研究或發展使用之CMP廢水處理技術可分為兩大類： (1) 以化學加葯混凝做前處理伴隨重力沉
澱、加壓浮上或薄膜過濾等處理程序。 (2) 不加任何化學葯品直接以超過濾
– 65 –
土木水利 第二十八卷 第四期
(UF)、電膠凝／電透析 (EC/ED) 或外加電場微過濾處理程序。
2.2.1 化學加葯混凝做前處理，伴隨後段處
理單元設備
化學加葯混凝及膠羽作用是一種既有效又普遍的化學處理程序，包括藉著帶相反電荷之無機及有機物質表面電性中和及離子的中和作用，以使去穩定化的溶解或懸浮固體物質形成膠羽，並藉著後段處理單元來移除CMP廢水中所含之懸浮微顆粒、重金屬及一些有機物質。
以下分別就後段處理單元設備之研究發展列舉說明：
(1) 重力沉降 (Gravity Settling)
重力沉澱是一種簡單且成熟的處理技術，但佔地面積大，除了需要大空間的凝集沉澱槽及濃縮槽外，也需要配合調整槽及砂濾槽來使用，初期投資成本包括控制系統、管路及水槽結構等費用太高，且系統操作不穩定。
(2) 溶氣加壓浮選 (Dissolved Air Flotation)
CMP研磨廢液內含高濃度之懸浮固體物，林等研究以柱型浮選槽能有效地浮選分離研磨漿料，當加入補集劑油酸鈉時其效果更顯著，配合控制溶氣壓力、溶氣飽和時間及加入適當葯劑來回收研磨漿料固粒，並達到與廢水分離的目的。 (3) 薄膜微過濾系統
(Membrane microfiltration)
目前廣泛被使用於CMP廢水處理之薄膜過濾系統皆以平行流或掃流式 (Cross-flow filtration) 薄膜微過濾為主流。包括動態過濾膜 (Dynamic layer) 及陶瓷膜 (Ceramic tube filter)。平流式薄膜微過濾系統
操作壓力約在25 ~ 75 psig之間，流通量範圍在10 ~ 150 GFD之間，這些系統被使用於處理CMP廢水系統設備供應商包括EPOC Filtration、Pall Corp及U.S. Filter等。 (4) 一次通過低壓薄膜組合系統
(Single-pass membrane array system)
Microbar公司最近發展一種新的處理技術，採用一次通過 (Single-pass) 多段薄膜組合排列 (Membrane array) 之低壓微過濾系統。這種Enchem系統使用流通量可達到200 GFD，在低壓下操作 (4 ~ 10psi) 並可處理高流量達5,000 gal/min，與平流式微過濾系統不同的是並沒有循環過濾而是採用一次通過過濾方式。
2.2.2 直接使用超過濾或電膠凝處理方式
若不加任何化學葯品來混凝膠羽化CMP廢水中之溶解或懸浮微粒，或只加入少量pH調整劑來做為前處理加葯時，目前已被使用或被研究開發之處理系統有：超過濾 (UF)、電膠凝／電透析 (EC/ED) 或外加電場微濾系統等。
(1) 薄膜超過濾系統
(Membrane ultrafiltration)
Pall公司採用超過濾技術 (Microza ultrafiltration modules) 模組，其特性為雙層薄膜，中空纖維狀，是一種分子量去除大小 (MWCO) 為10,000 daltons之有機膜。 (2) 電混凝／電透析技術
(Electro coagulation/Electrode cantation)
Metteson等以電解方式增加水中的離子，利用電混凝有效去除水中的超微顆粒Raghavan等則以電混凝／電透析 (EC/ED) 技術來處理半導體業化學機械研磨廢液。Golden等發表使用電場，而使CMP廢水中之微顆粒去穩定化，並使氧化矽顆粒帶電而
– 66 –
土木水利 第二十八卷 第四期
凝聚成團，再配合微過濾系統來處理CMP廢水。楊等利用外加電場微過濾法來處理化學機械研磨廢水，經分析濾液可達到無濁度之水質，且可增加處理流量，如此可達到廢水回收再利用之目標。
圖片如圖2及圖3。
三、實驗方法及設備
3.1 模廠綜合廢水水質
本模廠使用實際晶圓代工半導體廠之CMP製程所排出之廢水做實驗，內含氧化膜研磨廢液及金屬膜研磨廢液之CMP綜合廢水，經水質分析廢水成分如表1。
表1 CMP綜合廢水水質
水質項目 數值 pH值 9.5 ~ 10 導電度Cond (?s/cm) 65 ~ 180 總有機碳TOC (mg/L) 2 ~ 5 二氧化矽SiO2 (mg/L) 98 ~ 224 總固體物TSS (mg/L) 3.6 ~ 6.2 (> 1.6?m) 總溶解固體物TDS (mg/L) 72.5 ~ 116.7 雙氧水H2O2 (mg/L) 14 ~ 42 鋁Al (mg/L) 0.013 ~ 11.8 鎢W (mg/L) 2.8 ~ 6.0 主要設備規格：
圖1 實驗槽廠系統流程圖
(1) 流量調整槽：500公升、FRP材質。 (2) 反應槽：100公升，FRP材質，內設攪
拌機。
(3) 循環水槽：100公升，不銹鋼316材質。 (4) 陶瓷膜微過濾系統：包括150 L/min循
環泵浦、0.2?m，過濾面積0.3m2 USFilter ceramic膜管及15 L/min隔膜氣動排泥泵浦。
(5) 活性碳過濾器：直徑200 m/m，高度
900m/m，FRP材質，內部填充粒狀活性碳28公升。
(6) 過濾水槽：180公升，FRP材質。 (7) 逆滲透系統：包括3?m預濾器、50 L/min
高壓泵浦及Dow Filmtec BW30-4040膜管。
3.2 實驗裝置及流程
本實驗裝置係利用陶瓷膜微過濾系統結合前混凝處理，藉著混凝使得廢水中之懸浮微顆粒成長變大，但不需要大到可以沉澱，懸浮成長顆粒只需大於0.2?m即可經由陶瓷薄膜過濾系統有效地去除。後段再搭配活性碳吸附及逆滲透系統來進一步地處理過濾水，使得處理水達到高品質的回收水再利用價值。模廠流程簡圖如圖1及系統設備
– 67 –
相关推荐：
loading