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、前言化學機械研磨(ChemicalMechanicalPolishing)是晶圓表面平坦化的方法之一，又稱為化學機械平坦化(ChemicalMechanicalPlanarization)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1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2國立台灣大學環境工程學研究所教授水回收再利用專輯土木水利第二十八卷第四期民國九十一年二月，第64–71頁CivilandHydraulicEngineeringVol.28,No.4,February2002,pp.64–71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、...