2008年3月10日 已被瀏覽 798 次
厲曉華，何義亮
（上海交通大學 環(huán)境科學和工程學院，上海 200030）
1 引言
集成電路產(chǎn)業(yè)是近幾年來中國發(fā)展最引人注目的新興產(chǎn)業(yè)，也是最具有發(fā)展?jié)摿Φ漠a(chǎn)業(yè)。中國大陸2004年集成電路市場規(guī)模達到2，908億人民幣，同比增長達40.2%，遠遠高于全球平均增幅12個百分點，是全球集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展最快的地區(qū)之一[1]。然而以資金、技術和勞動力密集型為特征的集成電路制造業(yè)卻同時是一個高耗能的產(chǎn)業(yè)，不僅耗電而且耗水。以一條月生產(chǎn)能力為5萬片的生產(chǎn)線為例，每天的耗水量都在7000噸左右。如果一個集成電路企業(yè)有2～3條生產(chǎn)線，那么一天的用水量就達2萬噸。為了合理用水，促進水回收技術的發(fā)展，政府出臺了一系列節(jié)水政策，并利用經(jīng)濟杠桿逐步上調(diào)水價，促使企業(yè)開展工藝研究和技術革新，提高節(jié)水技術。
2 設備節(jié)水的應用
集成電路制造企業(yè)的生產(chǎn)工藝極為復雜，主要以硅片為基本材料，經(jīng)過表面氧化膜的形成和光刻膠的涂布后，結合光刻機進行曝光、顯影使硅片上形成各種類型的電路，再經(jīng)刻蝕、去除抗蝕劑及摻雜，進行金屬蒸發(fā)，使各元件的線路及電極得以形成，最后進行硅片探針檢測，合格的晶片才出廠 [2]。而清洗作為輔助工序，用超純水來沖洗硅片表面上殘留的氧化物、刻蝕液、抗蝕劑等，在硅片加工過程中是一道必不可少的工藝。據(jù)統(tǒng)計，在構成先進的90 nm半導體器件工藝流程的大約600個總步驟中，硅片清洗工藝占了約100個，占17%之多[3]。
節(jié)水需秉持節(jié)約用水及回收廢水的理念。首先在生產(chǎn)中執(zhí)行清潔生產(chǎn)的概念，對工藝進行革新，降低純水的用量；再是將不同工藝的廢水依照污染物的性質(zhì)和濃度予以分別排放收集，對于高濃度廢水及不易回收處理的廢水排入廢水處理系統(tǒng)，對可回收利用的排水則處理利用。降低水的用量，比廢水回收來的重要且有效，因為它也相對地減少了生產(chǎn)廢水的排放量，達到節(jié)水、減廢的雙重效果。
2.1 酸洗機
酸洗主要是用酸和純水去除微粒、有機物、金屬，氧化物玷污等，通常需要5～7次槽工序，如圖1所示。采用的化學品主要是H 2SO4，H3PO4和HF ，水槽將硅片從酸槽帶過來的化學品沖洗掉。清洗的方式一般有兩種：快速排空（QDR）和溢流（OFR），通過多次清洗將殘余物去除。通常一個清洗工藝需要10 ～20 min的時間，因此單獨清洗一片硅片一次就消耗近500～900 L的純水。另外在設備沒有運行的時候，為了避免水槽內(nèi)的純水變成死水，所有水槽都須保持小流量的溢流狀態(tài)，所以只要工廠正式投產(chǎn)，就一天都不能停水，由此可見耗水之大。
在不影響產(chǎn)品成品率和生產(chǎn)效率的前提下，可以對酸洗機做諸多的改善。首先是降低酸洗機的純水流量，由原本的60 L/min降低為40 L/min；再則在滿足清洗效果且檢測的出水電導率合格的情況下，減少排空的次數(shù)和溢流的時間；三是調(diào)節(jié)待機時的水流，經(jīng)過實踐可以調(diào)小到1 L/min，保持水有流動卻不至于長菌的最小流量；四是換酸清洗用水量太多或者換酸頻率過高，需控制換酸的次數(shù)，同時也節(jié)省了酸的用量。還有在硅片進入水槽前，為了保證水質(zhì)，減少預溢流時間和流量也是必要的。
2.2 化學機械拋光機
化學機械拋光（CMP）是使用研磨劑通過化學和機械共同作用，將硅片表面上凸起的多層金屬化互連結構中的介質(zhì)和金屬層磨去，實現(xiàn)表面完全平坦化，從而使后續(xù)的表面圖形制作順利進行。硅片放在一個載片頭上，面向轉(zhuǎn)盤上的拋光墊，轉(zhuǎn)盤由動力推動，快速轉(zhuǎn)動[4]，在轉(zhuǎn)動中研磨劑和純水按工藝要求依次噴出。研磨劑是一種由磨料、腐蝕劑和鈍化劑組成的混合液，因此拋光后需用純水來沖洗硅片表面上殘留的研磨液和從硅片上磨下的顆粒。由于采用純水來浸泡和沖洗硅片，因此降低沖洗流量、調(diào)節(jié)待機最小流量、減少沖洗時間等手段同樣有效果。
2.3 洗管機
洗管機是用來清洗裝硅片的石英管，后道中純水槽（一般為400 L）通過溢流和排空，將前道殘留的HF沖洗掉。因此在清洗時間和換水的次數(shù)上，可以進行有效地縮減，同時也可通過調(diào)節(jié)沖洗流量來減量。
另外還有晶舟清洗、洗盒機和零部件清洗等輔助清洗工藝設備，通過縮短清洗時間（如360～240 s）和減少清洗步驟等手段達到效果。
2.4 其他設備
在集成電路制造企業(yè)中，除了用水大戶主設備外，還有其他三個次等的用戶：冷卻塔、洗滌塔和生活用水。為維持工廠內(nèi)生產(chǎn)車間（無塵室四季23 ℃ ±1 ℃）的苛刻條件，空調(diào)需要提供強大的動力，因此冷卻塔的補水量也不可忽視，在工廠夏季的總用水量中占到1/3之多。通過收集空調(diào)機組的冷凝水和回收系統(tǒng)的出水，作為冷卻塔的補水，起到替代自來水的作用。洗滌塔是主設備的附屬機，用水來吸收主設備產(chǎn)生的廢氣，用水量占到20%左右。供水系統(tǒng)的主管道上安裝有流量計，實時監(jiān)控用水最小流量。而對生活用水來說，利用生活污水處理場達標排放的出水澆灌樹木和草地不失為上策；更理想的是安裝自動控制的澆灌設備，按照時間設定來進行噴水，且能感應雨天，可進一步節(jié)省用水。
3 廢水回收利用
廢水回收在集成電路制造中是一個不可或缺的環(huán)保節(jié)能環(huán)節(jié)，大部分企業(yè)對回收率都有著嚴格的要求，通常為70% ～80%的超純水回收，60%以上的全廠回收?；厥章手苯雍饬克厥占夹g執(zhí)行的效果，回收率愈大，系統(tǒng)的取水量愈小。國內(nèi)半導體工廠為了降低運行成本，獲得ISO14001的認證，同時爭取更多客戶的訂單，對回收率的重視程度也日益提高。
3.1 超純水排水回收
不管是酸洗機還是拋光機，只要是濕法清洗工藝的排水，除了第一道含有較多的化學品和雜質(zhì)外，其后幾道往往是比較干凈的，適合回收之用。采集設備排水樣本分析發(fā)現(xiàn)，排水的電導度（Con.）與總有機碳（TOC）隨著排放時間快速下降。由于絕大多數(shù)設備水槽的排水處都安裝有可供切換的自動閥，可設定排水閥參數(shù)，將排至廢水處理廠的開閥時間縮短，將大部分符合水質(zhì)規(guī)格（一般TOC＜3×10 -6，Con.＜2000μs/cm）的排水回收?；厥账ㄟ^電導率與TOC在線檢測儀器，如果水質(zhì)很好，如TOC＜10-6，Con.＜1000μs/cm，水可直接到純水系統(tǒng)的前處理；如果任何一個指標超出，則經(jīng)過簡單調(diào)節(jié)，可回用到工廠次等級的用戶，如冷卻塔或淋洗塔等。如果所有清洗設備都設置了合理的回收管和回收程序的條件下， 70%的回收率是不難達到的。
造成超純水回收率低有諸多的原因：沒有設置專門的回收水管；沒有建造回收水系統(tǒng)；回收水管與設備的二次配管時，定義不清或接錯管路，造成污染；設備的排放切換閥參數(shù)設置不正確；設備本身沒有帶回收的功能，需要花很長的時間和大量經(jīng)費進行改造；或?qū)λΩ刹鄣扔盟坎皇呛艽蟮墓ば蚝雎粤嘶厥铡?div style="height:15px;">
3.2 廢水回收處理
集成電路企業(yè)每天產(chǎn)生的廢水有數(shù)千噸，其中一部分的廢水只含有單一污染物或污染物較低，如果將不同的廢水按性質(zhì)分開收集處理，可收到事半功倍的效果。
3.2.1 超純水系統(tǒng)內(nèi)部排水回收
集成電路企業(yè)的超純水制備系統(tǒng)，為去除自來水中的不純物，各種分離、吸附技術被廣泛地應用，常見的有離子交換樹脂塔、活性碳塔、反滲透膜及超濾膜等。目前除了反滲透及超濾的濃縮水，因水質(zhì)好，在設計中已考慮循環(huán)利用外，離子交換樹脂塔、活性碳塔和砂濾塔等設備再生反洗所產(chǎn)生的廢水，至今許多廠仍無整體且有效的回收規(guī)劃；再有就是純水系統(tǒng)中幾十臺在線檢測儀器的排水，離子交換樹脂、活性碳、反滲透膜和超濾膜等周期性更換的沖洗水也被當作廢水排放，不僅浪費了水，也給廢水處理系統(tǒng)增加了額外負荷。這些排水電導率低，收集后經(jīng)過簡單的處理工藝便可回收，平均每天可回收水量達幾百噸，其流程為：收集水→中和→過濾→冷卻塔。
3.2.2 車間含顆粒廢水回收
研磨廢水和晶背研磨工藝的廢水，也頗具回收價值，這兩部分廢水占到車間廢水的1/3。廢水的特征是含細小的硅或Al 2O3顆粒，含化學品少。國內(nèi)企業(yè)目前還是將重點放在廢水處理達標后排放上，原因是沒有水回收率的壓力以及投資比較大；而歐洲和臺灣地區(qū)的集成電路企業(yè)在幾年前已注重這兩種廢水的回收處理，比較成熟的方法是采用超濾和反滲透結合的工藝，出水可以回用于超純水系統(tǒng)。
4 效益分析
表1是以產(chǎn)能5萬片的一條生線為例，對采用節(jié)水技術前后的用水量和運行費用做了比較。節(jié)水與廢水回用技術并舉，不僅節(jié)省了自來水，也少向環(huán)境排放了廢水；對工廠來說，同時還降低了供水設備和廢水處理設備的建造費用、占地空間，減少了系統(tǒng)的負荷及運行成本，也節(jié)省了水處理所需投加的化學藥劑耗用等，在投資成本和運行成本上同時獲得經(jīng)濟效益。
厲曉華，何義亮
（上海交通大學 環(huán)境科學和工程學院，上海 200030）
1 引言
集成電路產(chǎn)業(yè)是近幾年來中國發(fā)展最引人注目的新興產(chǎn)業(yè)，也是最具有發(fā)展?jié)摿Φ漠a(chǎn)業(yè)。中國大陸2004年集成電路市場規(guī)模達到2，908億人民幣，同比增長達40.2%，遠遠高于全球平均增幅12個百分點，是全球集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展最快的地區(qū)之一[1]。然而以資金、技術和勞動力密集型為特征的集成電路制造業(yè)卻同時是一個高耗能的產(chǎn)業(yè)，不僅耗電而且耗水。以一條月生產(chǎn)能力為5萬片的生產(chǎn)線為例，每天的耗水量都在7000噸左右。如果一個集成電路企業(yè)有2～3條生產(chǎn)線，那么一天的用水量就達2萬噸。為了合理用水，促進水回收技術的發(fā)展，政府出臺了一系列節(jié)水政策，并利用經(jīng)濟杠桿逐步上調(diào)水價，促使企業(yè)開展工藝研究和技術革新，提高節(jié)水技術。
2 設備節(jié)水的應用
集成電路制造企業(yè)的生產(chǎn)工藝極為復雜，主要以硅片為基本材料，經(jīng)過表面氧化膜的形成和光刻膠的涂布后，結合光刻機進行曝光、顯影使硅片上形成各種類型的電路，再經(jīng)刻蝕、去除抗蝕劑及摻雜，進行金屬蒸發(fā)，使各元件的線路及電極得以形成，最后進行硅片探針檢測，合格的晶片才出廠 [2]。而清洗作為輔助工序，用超純水來沖洗硅片表面上殘留的氧化物、刻蝕液、抗蝕劑等，在硅片加工過程中是一道必不可少的工藝。據(jù)統(tǒng)計，在構成先進的90 nm半導體器件工藝流程的大約600個總步驟中，硅片清洗工藝占了約100個，占17%之多[3]。
節(jié)水需秉持節(jié)約用水及回收廢水的理念。首先在生產(chǎn)中執(zhí)行清潔生產(chǎn)的概念，對工藝進行革新，降低純水的用量；再是將不同工藝的廢水依照污染物的性質(zhì)和濃度予以分別排放收集，對于高濃度廢水及不易回收處理的廢水排入廢水處理系統(tǒng)，對可回收利用的排水則處理利用。降低水的用量，比廢水回收來的重要且有效，因為它也相對地減少了生產(chǎn)廢水的排放量，達到節(jié)水、減廢的雙重效果。
2.1 酸洗機
酸洗主要是用酸和純水去除微粒、有機物、金屬，氧化物玷污等，通常需要5～7次槽工序，如圖1所示。采用的化學品主要是H 2SO4，H3PO4和HF ，水槽將硅片從酸槽帶過來的化學品沖洗掉。清洗的方式一般有兩種：快速排空（QDR）和溢流（OFR），通過多次清洗將殘余物去除。通常一個清洗工藝需要10 ～20 min的時間，因此單獨清洗一片硅片一次就消耗近500～900 L的純水。另外在設備沒有運行的時候，為了避免水槽內(nèi)的純水變成死水，所有水槽都須保持小流量的溢流狀態(tài)，所以只要工廠正式投產(chǎn)，就一天都不能停水，由此可見耗水之大。
在不影響產(chǎn)品成品率和生產(chǎn)效率的前提下，可以對酸洗機做諸多的改善。首先是降低酸洗機的純水流量，由原本的60 L/min降低為40 L/min；再則在滿足清洗效果且檢測的出水電導率合格的情況下，減少排空的次數(shù)和溢流的時間；三是調(diào)節(jié)待機時的水流，經(jīng)過實踐可以調(diào)小到1 L/min，保持水有流動卻不至于長菌的最小流量；四是換酸清洗用水量太多或者換酸頻率過高，需控制換酸的次數(shù)，同時也節(jié)省了酸的用量。還有在硅片進入水槽前，為了保證水質(zhì)，減少預溢流時間和流量也是必要的。
2.2 化學機械拋光機
化學機械拋光（CMP）是使用研磨劑通過化學和機械共同作用，將硅片表面上凸起的多層金屬化互連結構中的介質(zhì)和金屬層磨去，實現(xiàn)表面完全平坦化，從而使后續(xù)的表面圖形制作順利進行。硅片放在一個載片頭上，面向轉(zhuǎn)盤上的拋光墊，轉(zhuǎn)盤由動力推動，快速轉(zhuǎn)動[4]，在轉(zhuǎn)動中研磨劑和純水按工藝要求依次噴出。研磨劑是一種由磨料、腐蝕劑和鈍化劑組成的混合液，因此拋光后需用純水來沖洗硅片表面上殘留的研磨液和從硅片上磨下的顆粒。由于采用純水來浸泡和沖洗硅片，因此降低沖洗流量、調(diào)節(jié)待機最小流量、減少沖洗時間等手段同樣有效果。
2.3 洗管機
洗管機是用來清洗裝硅片的石英管，后道中純水槽（一般為400 L）通過溢流和排空，將前道殘留的HF沖洗掉。因此在清洗時間和換水的次數(shù)上，可以進行有效地縮減，同時也可通過調(diào)節(jié)沖洗流量來減量。
另外還有晶舟清洗、洗盒機和零部件清洗等輔助清洗工藝設備，通過縮短清洗時間（如360～240 s）和減少清洗步驟等手段達到效果。
2.4 其他設備
在集成電路制造企業(yè)中，除了用水大戶主設備外，還有其他三個次等的用戶：冷卻塔、洗滌塔和生活用水。為維持工廠內(nèi)生產(chǎn)車間（無塵室四季23 ℃ ±1 ℃）的苛刻條件，空調(diào)需要提供強大的動力，因此冷卻塔的補水量也不可忽視，在工廠夏季的總用水量中占到1/3之多。通過收集空調(diào)機組的冷凝水和回收系統(tǒng)的出水，作為冷卻塔的補水，起到替代自來水的作用。洗滌塔是主設備的附屬機，用水來吸收主設備產(chǎn)生的廢氣，用水量占到20%左右。供水系統(tǒng)的主管道上安裝有流量計，實時監(jiān)控用水最小流量。而對生活用水來說，利用生活污水處理場達標排放的出水澆灌樹木和草地不失為上策；更理想的是安裝自動控制的澆灌設備，按照時間設定來進行噴水，且能感應雨天，可進一步節(jié)省用水。
3 廢水回收利用
廢水回收在集成電路制造中是一個不可或缺的環(huán)保節(jié)能環(huán)節(jié)，大部分企業(yè)對回收率都有著嚴格的要求，通常為70% ～80%的超純水回收，60%以上的全廠回收?；厥章手苯雍饬克厥占夹g執(zhí)行的效果，回收率愈大，系統(tǒng)的取水量愈小。國內(nèi)半導體工廠為了降低運行成本，獲得ISO14001的認證，同時爭取更多客戶的訂單，對回收率的重視程度也日益提高。
3.1 超純水排水回收
不管是酸洗機還是拋光機，只要是濕法清洗工藝的排水，除了第一道含有較多的化學品和雜質(zhì)外，其后幾道往往是比較干凈的，適合回收之用。采集設備排水樣本分析發(fā)現(xiàn)，排水的電導度（Con.）與總有機碳（TOC）隨著排放時間快速下降。由于絕大多數(shù)設備水槽的排水處都安裝有可供切換的自動閥，可設定排水閥參數(shù)，將排至廢水處理廠的開閥時間縮短，將大部分符合水質(zhì)規(guī)格（一般TOC＜3×10 -6，Con.＜2000μs/cm）的排水回收。回收水通過電導率與TOC在線檢測儀器，如果水質(zhì)很好，如TOC＜10-6，Con.＜1000μs/cm，水可直接到純水系統(tǒng)的前處理；如果任何一個指標超出，則經(jīng)過簡單調(diào)節(jié)，可回用到工廠次等級的用戶，如冷卻塔或淋洗塔等。如果所有清洗設備都設置了合理的回收管和回收程序的條件下， 70%的回收率是不難達到的。
造成超純水回收率低有諸多的原因：沒有設置專門的回收水管；沒有建造回收水系統(tǒng)；回收水管與設備的二次配管時，定義不清或接錯管路，造成污染；設備的排放切換閥參數(shù)設置不正確；設備本身沒有帶回收的功能，需要花很長的時間和大量經(jīng)費進行改造；或?qū)λΩ刹鄣扔盟坎皇呛艽蟮墓ば蚝雎粤嘶厥铡?div style="height:15px;">
集成電路企業(yè)每天產(chǎn)生的廢水有數(shù)千噸，其中一部分的廢水只含有單一污染物或污染物較低，如果將不同的廢水按性質(zhì)分開收集處理，可收到事半功倍的效果。
集成電路企業(yè)的超純水制備系統(tǒng)，為去除自來水中的不純物，各種分離、吸附技術被廣泛地應用，常見的有離子交換樹脂塔、活性碳塔、反滲透膜及超濾膜等。目前除了反滲透及超濾的濃縮水，因水質(zhì)好，在設計中已考慮循環(huán)利用外，離子交換樹脂塔、活性碳塔和砂濾塔等設備再生反洗所產(chǎn)生的廢水，至今許多廠仍無整體且有效的回收規(guī)劃；再有就是純水系統(tǒng)中幾十臺在線檢測儀器的排水，離子交換樹脂、活性碳、反滲透膜和超濾膜等周期性更換的沖洗水也被當作廢水排放，不僅浪費了水，也給廢水處理系統(tǒng)增加了額外負荷。這些排水電導率低，收集后經(jīng)過簡單的處理工藝便可回收，平均每天可回收水量達幾百噸，其流程為：收集水→中和→過濾→冷卻塔。
研磨廢水和晶背研磨工藝的廢水，也頗具回收價值，這兩部分廢水占到車間廢水的1/3。廢水的特征是含細小的硅或Al 2O3顆粒，含化學品少。國內(nèi)企業(yè)目前還是將重點放在廢水處理達標后排放上，原因是沒有水回收率的壓力以及投資比較大；而歐洲和臺灣地區(qū)的集成電路企業(yè)在幾年前已注重這兩種廢水的回收處理，比較成熟的方法是采用超濾和反滲透結合的工藝，出水可以回用于超純水系統(tǒng)。
表1是以產(chǎn)能5萬片的一條生線為例，對采用節(jié)水技術前后的用水量和運行費用做了比較。節(jié)水與廢水回用技術并舉，不僅節(jié)省了自來水，也少向環(huán)境排放了廢水；對工廠來說，同時還降低了供水設備和廢水處理設備的建造費用、占地空間，減少了系統(tǒng)的負荷及運行成本，也節(jié)省了水處理所需投加的化學藥劑耗用等，在投資成本和運行成本上同時獲得經(jīng)濟效益。
