| 节水技术在半导体制造企业的应用 |
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2008年3月10日 已被浏览 798 次
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厉晓华，何义亮
（上海交通大学 环境科学和工程学院，上海 200030）
1 引言
集成电路产业是近几年来中国发展最引人注目的新兴产业，也是最具有发展潜力的产业。中国大陆2004年集成电路市场规模达到2，908亿人民币，同比增长达40.2%，远远高于全球平均增幅12个百分点，是全球集成电路产业发展最快的地区之一[1]。然而以资金、技术和劳动力密集型为特征的集成电路制造业却同时是一个高耗能的产业，不仅耗电而且耗水。以一条月生产能力为5万片的生产线为例，每天的耗水量都在7000吨左右。如果一个集成电路企业有2～3条生产线，那么一天的用水量就达2万吨。为了合理用水，促进水回收技术的发展，政府出台了一系列节水政策，并利用经济杠杆逐步上调水价，促使企业开展工艺研究和技术革新，提高节水技术。
2 设备节水的应用
集成电路制造企业的生产工艺极为复杂，主要以硅片为基本材料，经过表面氧化膜的形成和光刻胶的涂布后，结合光刻机进行曝光、显影使硅片上形成各种类型的电路，再经刻蚀、去除抗蚀剂及掺杂，进行金属蒸发，使各元件的线路及电极得以形成，最后进行硅片探针检测，合格的晶片才出厂 [2]。而清洗作为辅助工序，用超纯水来冲洗硅片表面上残留的氧化物、刻蚀液、抗蚀剂等，在硅片加工过程中是一道必不可少的工艺。据统计，在构成先进的90 nm半导体器件工艺流程的大约600个总步骤中，硅片清洗工艺占了约100个，占17%之多[3]。
节水需秉持节约用水及回收废水的理念。首先在生产中执行清洁生产的概念，对工艺进行革新，降低纯水的用量；再是将不同工艺的废水依照污染物的性质和浓度予以分别排放收集，对于高浓度废水及不易回收处理的废水排入废水处理系统，对可回收利用的排水则处理利用。降低水的用量，比废水回收來的重要且有效，因为它也相对地减少了生产废水的排放量，达到节水、减废的双重效果。
2.1 酸洗机
酸洗主要是用酸和纯水去除微粒、有机物、金属，氧化物玷污等，通常需要5～7次槽工序，如图1所示。采用的化学品主要是H 2SO4，H3PO4和HF ，水槽将硅片从酸槽带过来的化学品冲洗掉。清洗的方式一般有两种：快速排空（QDR）和溢流（OFR），通过多次清洗将残余物去除。通常一个清洗工艺需要10 ～20 min的时间，因此单独清洗一片硅片一次就消耗近500～900 L的纯水。另外在设备没有运行的时候，为了避免水槽内的纯水变成死水，所有水槽都须保持小流量的溢流状态，所以只要工厂正式投产，就一天都不能停水，由此可见耗水之大。
在不影响产品成品率和生产效率的前提下，可以对酸洗机做诸多的改善。首先是降低酸洗机的纯水流量，由原本的60 L/min降低为40 L/min；再则在满足清洗效果且检测的出水电导率合格的情况下，减少排空的次数和溢流的时间；三是调节待机时的水流，经过实践可以调小到1 L/min，保持水有流动却不至于长菌的最小流量；四是换酸清洗用水量太多或者换酸频率过高，需控制换酸的次数，同时也节省了酸的用量。还有在硅片进入水槽前，为了保证水质，减少预溢流时间和流量也是必要的。
2.2 化学机械抛光机
化学机械抛光（CMP）是使用研磨剂通过化学和机械共同作用，将硅片表面上凸起的多层金属化互连结构中的介质和金属层磨去，实现表面完全平坦化，从而使后续的表面图形制作顺利进行。硅片放在一个载片头上，面向转盘上的抛光垫，转盘由动力推动，快速转动[4]，在转动中研磨剂和纯水按工艺要求依次喷出。研磨剂是一种由磨料、腐蚀剂和钝化剂组成的混合液，因此抛光后需用纯水来冲洗硅片表面上残留的研磨液和从硅片上磨下的颗粒。由于采用纯水来浸泡和冲洗硅片，因此降低冲洗流量、调节待机最小流量、减少冲洗时间等手段同样有效果。
2.3 洗管机
洗管机是用来清洗装硅片的石英管，后道中纯水槽（一般为400 L）通过溢流和排空，将前道残留的HF冲洗掉。因此在清洗时间和换水的次数上，可以进行有效地缩减，同时也可通过调节冲洗流量来减量。
另外还有晶舟清洗、洗盒机和零部件清洗等辅助清洗工艺设备，通过缩短清洗时间（如360～240 s）和减少清洗步骤等手段达到效果。
2.4 其他设备
在集成电路制造企业中，除了用水大户主设备外，还有其他三个次等的用户：冷却塔、洗涤塔和生活用水。为维持工厂内生产车间（无尘室四季23 ℃ ±1 ℃）的苛刻条件，空调需要提供强大的动力，因此冷却塔的补水量也不可忽视，在工厂夏季的总用水量中占到1/3之多。通过收集空调机组的冷凝水和回收系统的出水，作为冷却塔的补水，起到替代自来水的作用。洗涤塔是主设备的附属机，用水来吸收主设备产生的废气，用水量占到20%左右。供水系统的主管道上安装有流量计，实时监控用水最小流量。而对生活用水来说，利用生活污水处理场达标排放的出水浇灌树木和草地不失为上策；更理想的是安装自动控制的浇灌设备，按照时间设定来进行喷水，且能感应雨天，可进一步节省用水。
3 废水回收利用
废水回收在集成电路制造中是一个不可或缺的环保节能环节，大部分企业对回收率都有着严格的要求，通常为70% ～80%的超纯水回收，60%以上的全厂回收。回收率直接衡量水回收技术执行的效果，回收率愈大，系统的取水量愈小。国内半导体工厂为了降低运行成本，获得ISO14001的认证，同时争取更多客户的订单，对回收率的重视程度也日益提高。
3.1 超纯水排水回收
不管是酸洗机还是抛光机，只要是湿法清洗工艺的排水，除了第一道含有较多的化学品和杂质外，其后几道往往是比较干净的，适合回收之用。采集设备排水样本分析发现，排水的电导度（Con.）与总有机碳（TOC）随着排放时间快速下降。由于绝大多数设备水槽的排水处都安装有可供切换的自动阀，可设定排水阀参数，将排至废水处理厂的开阀时间缩短，将大部分符合水质规格（一般TOC＜3×10 -6，Con.＜2000μs/cm）的排水回收。回收水通过电导率与TOC在线检测仪器，如果水质很好，如TOC＜10-6，Con.＜1000μs/cm，水可直接到纯水系统的前处理；如果任何一个指标超出，则经过简单调节，可回用到工厂次等级的用户，如冷却塔或淋洗塔等。如果所有清洗设备都设置了合理的回收管和回收程序的条件下， 70%的回收率是不难达到的。
造成超纯水回收率低有诸多的原因：没有设置专门的回收水管；没有建造回收水系统；回收水管与设备的二次配管时，定义不清或接错管路，造成污染；设备的排放切换阀参数设置不正确；设备本身没有带回收的功能，需要花很长的时间和大量经费进行改造；或对甩干槽等用水量不是很大的工序忽略了回收。
3.2 废水回收处理
集成电路企业每天产生的废水有数千吨，其中一部分的废水只含有单一污染物或污染物较低，如果将不同的废水按性质分开收集处理，可收到事半功倍的效果。
3.2.1 超纯水系统内部排水回收
集成电路企业的超纯水制备系统，为去除自来水中的不纯物，各种分离、吸附技术被广泛地应用，常见的有离子交换树脂塔、活性碳塔、反渗透膜及超滤膜等。目前除了反渗透及超滤的浓缩水，因水质好，在设计中已考虑循环利用外，离子交换树脂塔、活性碳塔和砂滤塔等设备再生反洗所产生的废水，至今许多厂仍无整体且有效的回收规划；再有就是纯水系统中几十台在线检测仪器的排水，离子交换树脂、活性碳、反渗透膜和超滤膜等周期性更换的冲洗水也被当作废水排放，不仅浪费了水，也给废水处理系统增加了额外负荷。这些排水电导率低，收集后经过简单的处理工艺便可回收，平均每天可回收水量达几百吨，其流程为：收集水→中和→过滤→冷却塔。
3.2.2 车间含颗粒废水回收
研磨废水和晶背研磨工艺的废水，也颇具回收价值，这两部分废水占到车间废水的1/3。废水的特征是含细小的硅或Al 2O3颗粒，含化学品少。国内企业目前还是将重点放在废水处理达标后排放上，原因是没有水回收率的压力以及投资比较大；而欧洲和台湾地区的集成电路企业在几年前已注重这两种废水的回收处理，比较成熟的方法是采用超滤和反渗透结合的工艺，出水可以回用于超纯水系统。
4 效益分析
表1是以产能5万片的一条生线为例，对采用节水技术前后的用水量和运行费用做了比较。节水与废水回用技术并举，不仅节省了自来水，也少向环境排放了废水；对工厂来说，同时还降低了供水设备和废水处理设备的建造费用、占地空间，减少了系统的负荷及运行成本，也节省了水处理所需投加的化学药剂耗用等，在投资成本和运行成本上同时获得经济效益。
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厉晓华，何义亮
（上海交通大学 环境科学和工程学院，上海 200030）
1 引言
集成电路产业是近几年来中国发展最引人注目的新兴产业，也是最具有发展潜力的产业。中国大陆2004年集成电路市场规模达到2，908亿人民币，同比增长达40.2%，远远高于全球平均增幅12个百分点，是全球集成电路产业发展最快的地区之一[1]。然而以资金、技术和劳动力密集型为特征的集成电路制造业却同时是一个高耗能的产业，不仅耗电而且耗水。以一条月生产能力为5万片的生产线为例，每天的耗水量都在7000吨左右。如果一个集成电路企业有2～3条生产线，那么一天的用水量就达2万吨。为了合理用水，促进水回收技术的发展，政府出台了一系列节水政策，并利用经济杠杆逐步上调水价，促使企业开展工艺研究和技术革新，提高节水技术。
2 设备节水的应用
集成电路制造企业的生产工艺极为复杂，主要以硅片为基本材料，经过表面氧化膜的形成和光刻胶的涂布后，结合光刻机进行曝光、显影使硅片上形成各种类型的电路，再经刻蚀、去除抗蚀剂及掺杂，进行金属蒸发，使各元件的线路及电极得以形成，最后进行硅片探针检测，合格的晶片才出厂 [2]。而清洗作为辅助工序，用超纯水来冲洗硅片表面上残留的氧化物、刻蚀液、抗蚀剂等，在硅片加工过程中是一道必不可少的工艺。据统计，在构成先进的90 nm半导体器件工艺流程的大约600个总步骤中，硅片清洗工艺占了约100个，占17%之多[3]。
节水需秉持节约用水及回收废水的理念。首先在生产中执行清洁生产的概念，对工艺进行革新，降低纯水的用量；再是将不同工艺的废水依照污染物的性质和浓度予以分别排放收集，对于高浓度废水及不易回收处理的废水排入废水处理系统，对可回收利用的排水则处理利用。降低水的用量，比废水回收來的重要且有效，因为它也相对地减少了生产废水的排放量，达到节水、减废的双重效果。
2.1 酸洗机
酸洗主要是用酸和纯水去除微粒、有机物、金属，氧化物玷污等，通常需要5～7次槽工序，如图1所示。采用的化学品主要是H 2SO4，H3PO4和HF ，水槽将硅片从酸槽带过来的化学品冲洗掉。清洗的方式一般有两种：快速排空（QDR）和溢流（OFR），通过多次清洗将残余物去除。通常一个清洗工艺需要10 ～20 min的时间，因此单独清洗一片硅片一次就消耗近500～900 L的纯水。另外在设备没有运行的时候，为了避免水槽内的纯水变成死水，所有水槽都须保持小流量的溢流状态，所以只要工厂正式投产，就一天都不能停水，由此可见耗水之大。
在不影响产品成品率和生产效率的前提下，可以对酸洗机做诸多的改善。首先是降低酸洗机的纯水流量，由原本的60 L/min降低为40 L/min；再则在满足清洗效果且检测的出水电导率合格的情况下，减少排空的次数和溢流的时间；三是调节待机时的水流，经过实践可以调小到1 L/min，保持水有流动却不至于长菌的最小流量；四是换酸清洗用水量太多或者换酸频率过高，需控制换酸的次数，同时也节省了酸的用量。还有在硅片进入水槽前，为了保证水质，减少预溢流时间和流量也是必要的。
2.2 化学机械抛光机
化学机械抛光（CMP）是使用研磨剂通过化学和机械共同作用，将硅片表面上凸起的多层金属化互连结构中的介质和金属层磨去，实现表面完全平坦化，从而使后续的表面图形制作顺利进行。硅片放在一个载片头上，面向转盘上的抛光垫，转盘由动力推动，快速转动[4]，在转动中研磨剂和纯水按工艺要求依次喷出。研磨剂是一种由磨料、腐蚀剂和钝化剂组成的混合液，因此抛光后需用纯水来冲洗硅片表面上残留的研磨液和从硅片上磨下的颗粒。由于采用纯水来浸泡和冲洗硅片，因此降低冲洗流量、调节待机最小流量、减少冲洗时间等手段同样有效果。
2.3 洗管机
洗管机是用来清洗装硅片的石英管，后道中纯水槽（一般为400 L）通过溢流和排空，将前道残留的HF冲洗掉。因此在清洗时间和换水的次数上，可以进行有效地缩减，同时也可通过调节冲洗流量来减量。
另外还有晶舟清洗、洗盒机和零部件清洗等辅助清洗工艺设备，通过缩短清洗时间（如360～240 s）和减少清洗步骤等手段达到效果。
2.4 其他设备
在集成电路制造企业中，除了用水大户主设备外，还有其他三个次等的用户：冷却塔、洗涤塔和生活用水。为维持工厂内生产车间（无尘室四季23 ℃ ±1 ℃）的苛刻条件，空调需要提供强大的动力，因此冷却塔的补水量也不可忽视，在工厂夏季的总用水量中占到1/3之多。通过收集空调机组的冷凝水和回收系统的出水，作为冷却塔的补水，起到替代自来水的作用。洗涤塔是主设备的附属机，用水来吸收主设备产生的废气，用水量占到20%左右。供水系统的主管道上安装有流量计，实时监控用水最小流量。而对生活用水来说，利用生活污水处理场达标排放的出水浇灌树木和草地不失为上策；更理想的是安装自动控制的浇灌设备，按照时间设定来进行喷水，且能感应雨天，可进一步节省用水。
3 废水回收利用
废水回收在集成电路制造中是一个不可或缺的环保节能环节，大部分企业对回收率都有着严格的要求，通常为70% ～80%的超纯水回收，60%以上的全厂回收。回收率直接衡量水回收技术执行的效果，回收率愈大，系统的取水量愈小。国内半导体工厂为了降低运行成本，获得ISO14001的认证，同时争取更多客户的订单，对回收率的重视程度也日益提高。
3.1 超纯水排水回收
不管是酸洗机还是抛光机，只要是湿法清洗工艺的排水，除了第一道含有较多的化学品和杂质外，其后几道往往是比较干净的，适合回收之用。采集设备排水样本分析发现，排水的电导度（Con.）与总有机碳（TOC）随着排放时间快速下降。由于绝大多数设备水槽的排水处都安装有可供切换的自动阀，可设定排水阀参数，将排至废水处理厂的开阀时间缩短，将大部分符合水质规格（一般TOC＜3×10 -6，Con.＜2000μs/cm）的排水回收。回收水通过电导率与TOC在线检测仪器，如果水质很好，如TOC＜10-6，Con.＜1000μs/cm，水可直接到纯水系统的前处理；如果任何一个指标超出，则经过简单调节，可回用到工厂次等级的用户，如冷却塔或淋洗塔等。如果所有清洗设备都设置了合理的回收管和回收程序的条件下， 70%的回收率是不难达到的。
造成超纯水回收率低有诸多的原因：没有设置专门的回收水管；没有建造回收水系统；回收水管与设备的二次配管时，定义不清或接错管路，造成污染；设备的排放切换阀参数设置不正确；设备本身没有带回收的功能，需要花很长的时间和大量经费进行改造；或对甩干槽等用水量不是很大的工序忽略了回收。
3.2 废水回收处理
集成电路企业每天产生的废水有数千吨，其中一部分的废水只含有单一污染物或污染物较低，如果将不同的废水按性质分开收集处理，可收到事半功倍的效果。
3.2.1 超纯水系统内部排水回收
集成电路企业的超纯水制备系统，为去除自来水中的不纯物，各种分离、吸附技术被广泛地应用，常见的有离子交换树脂塔、活性碳塔、反渗透膜及超滤膜等。目前除了反渗透及超滤的浓缩水，因水质好，在设计中已考虑循环利用外，离子交换树脂塔、活性碳塔和砂滤塔等设备再生反洗所产生的废水，至今许多厂仍无整体且有效的回收规划；再有就是纯水系统中几十台在线检测仪器的排水，离子交换树脂、活性碳、反渗透膜和超滤膜等周期性更换的冲洗水也被当作废水排放，不仅浪费了水，也给废水处理系统增加了额外负荷。这些排水电导率低，收集后经过简单的处理工艺便可回收，平均每天可回收水量达几百吨，其流程为：收集水→中和→过滤→冷却塔。
3.2.2 车间含颗粒废水回收
研磨废水和晶背研磨工艺的废水，也颇具回收价值，这两部分废水占到车间废水的1/3。废水的特征是含细小的硅或Al 2O3颗粒，含化学品少。国内企业目前还是将重点放在废水处理达标后排放上，原因是没有水回收率的压力以及投资比较大；而欧洲和台湾地区的集成电路企业在几年前已注重这两种废水的回收处理，比较成熟的方法是采用超滤和反渗透结合的工艺，出水可以回用于超纯水系统。
4 效益分析
表1是以产能5万片的一条生线为例，对采用节水技术前后的用水量和运行费用做了比较。节水与废水回用技术并举，不仅节省了自来水，也少向环境排放了废水；对工厂来说，同时还降低了供水设备和废水处理设备的建造费用、占地空间，减少了系统的负荷及运行成本，也节省了水处理所需投加的化学药剂耗用等，在投资成本和运行成本上同时获得经济效益。
