半导体制造与水系统：从生产过程到废水管理
半导体制造与水系统：从生产过程到废水管理
半导体制造是用水量最大、对水质要求最高的工业过程之一。然而，要了解半导体水处理，仅仅关注以下几个方面是不够的： 废水处理 生产线末端的工厂。
可靠的水资源管理策略应从制造过程本身开始。不同的半导体工厂使用不同的化学品，产生不同的废水，对水的纯度和再利用要求也各不相同。
对于水处理专业人员来说，关键在于从“末端处理”方法转向整体处理方法。但 转向“生产和水系统协调”方法但。
半导体制造不仅仅是晶圆制造
半导体供应链包括上游材料生产、中游晶圆制造以及下游封装和测试。
上游半导体材料
上游设施生产晶圆制造中使用的材料，包括：
- 硅锭
- 半导体晶圆
- 抛光晶片
- 外延晶片
- 电子化学品
- 特种气体
- 光刻胶和辅助材料
硅片生产包括切割、研磨、抛光、蚀刻和清洗等工序。这些工序会消耗大量纯净水，并可能产生含有悬浮固体、二氧化硅颗粒、酸、碱和抛光残留物的废水。
中游晶圆制造
中游设施包括：
- 逻辑芯片晶圆厂
- 存储芯片制造厂
- 功率半导体晶圆厂
- 铸造厂
- 集成器件制造商
晶圆制造包含数百甚至数千个独立的工艺步骤。在氧化、光刻、刻蚀、离子注入、沉积和化学机械抛光等工艺之间，需要反复进行清洗。
因此，晶圆厂通常是半导体行业中用水量最高、废水分类最详细、水资源再利用要求最严格的。
下游包装和测试
下游设施包括：
- 先进半导体封装厂
- 集成电路测试工厂
- IC基板制造商
- 印刷电路和封装基板设施
虽然这些工厂消耗的超纯水可能比前端晶圆厂少，但它们仍然会产生含有铜、镍、有机物、酸、碱和细小悬浮颗粒的复杂废水。
哪些半导体工厂最需要关注？
从水处理的角度来看，以下设施尤为重要：
- 硅片制造厂
- 前端晶圆制造厂
- 存储芯片工厂
- 先进逻辑芯片工厂
- 功率半导体工厂
- 先进的包装设施
- IC基板制造商
这些工厂包含密集的清洗、漂洗、抛光、蚀刻、电镀和表面处理工序。它们的水系统通常包括纯净水、超纯水和冷却水。 废水处理再生水和污泥脱水系统。
半导体工厂的主要用水领域
超纯水
超纯水用于晶圆的直接冲洗和清洗。即使是极低浓度的颗粒物、离子、微生物或有机污染物也会影响产品质量和产量。
典型的超纯水生产系统可能包括：
- 预处理
- 活性炭过滤
- 超滤
- 反渗透
- 离子交换
- 电去离子
- 紫外氧化
- 膜脱气
- 最后抛光和过滤
稳定的预处理非常重要，因为原水水质的波动会导致膜污染、化学清洗频率和运行成本增加。
工艺和清洗用水
晶圆清洗、化学漂洗、抛光、电镀和设备清洗过程中都会用到大量的水。由此产生的废水的特性直接取决于生产过程中使用的化学品和工艺步骤。
半导体制造中的主要废水流
含氟废水
含氟废水主要产生于使用氢氟酸或含氟化学品的蚀刻和清洗过程中。
通常添加钙盐以形成氟化钙沉淀。然后可采用混凝和絮凝来改善颗粒聚集、澄清和污泥分离。
酸性和碱性废水
酸性和碱性废水可能来自清洗、蚀刻、再生和化学品输送系统。
这些水流通常分别收集，并通过控制中和进行处理。应避免pH值快速波动，因为这会影响沉淀、混凝和下游生物处理。
氨氮废水
清洗、蚀刻和某些化学过程可能会产生含氨废水。
根据浓度和排放要求，处理方法可能包括：
- 氨汽提
- 生物硝化和反硝化
- 断点氯化
- 膜分离
- 物理化学和生物联合治疗
有机废水
有机废水可能含有光刻胶残留物、溶剂、清洁剂、显影剂、表面活性剂和其他有机化学品。
处理通常结合物理化学预处理和生物处理。含有高浓度溶剂或难降解化合物的废水可能需要单独收集和专门的预处理。
CMP废水
化学机械抛光（CMP）会产生含有非常细的磨料颗粒、抛光化学品、分散剂和金属污染物的废水。
由于CMP颗粒尺寸小且分散性稳定，因此通常难以自然沉降。适当的 混凝剂 絮凝剂可以破坏悬浮液的稳定性，形成更大的絮体，并改善固液分离。
重金属废水
电镀、互连、封装和基板制造废水中可能含有铜、镍和其他重金属。
常见的治疗方法包括：
- 化学沉淀
- 凝结和絮凝
- 重金属捕获剂
- 离子交换
- 膜处理
- 选择性回收技术
单独收集尤为重要，因为将重金属废水与络合剂混合会使沉淀更加困难。
为什么分类收集很重要
半导体废水不应作为单一混合物流进行处理。
如果过早地将氟化物、重金属、酸、碱、氨、有机化学物质和络合剂混合，处理效率可能会显著降低，化学品消耗量和污泥产量也可能增加。
隔离收集允许但 废水流需接受最合适的处理工艺。这也有助于使有价值的物质回收和水资源再利用更加切实可行。
半导体工厂的水资源再利用
相对清洁的废水可通过以下方式处理：
- 凝固和澄清
- 多媒体过滤
- 超滤
- 活性炭
- 反渗透
- 离子交换
- 高级氧化
回收水可用于：
- 冷却塔补水
- 洗涤器水
- 通用设备清洗
- 景观灌溉
- 公用用水
- 超纯水系统进水
最终的再利用途径应根据污染物成分和所需的水质来确定。
Bluwat如何支持半导体水处理
Bluwat Chemicals供应一系列产品 水处理化学品可针对不同的半导体废水处理阶段进行评估的指标包括：
- 用于混凝和澄清的聚合氯化铝
- PolyDADMAC 用于电荷中和和细颗粒去稳定化
- 用于混凝和去除有机污染物的聚胺
- 用于沉淀和污泥脱水的聚丙烯酰胺絮凝剂
- 用于含金属废水的重金属捕集剂
- 用于控制泡沫的消泡剂
- 用于处理难处理工业废水的专用混凝剂
化学品的选择应根据废水成分、pH值、悬浮固体、电导率、金属浓度、处理设备和排放要求来决定。
建议在大规模应用前进行实验室烧杯试验。
结论
半导体水处理始于了解半导体生产过程。
每个制造步骤都会影响用水量、污染物成分、处理难度和再利用潜力。前端晶圆制造厂尤为重要，因为它们用水量大，废水分类复杂，且对再利用有严格的要求。
通过结合生产知识、分类收集、针对性处理和优化化学加药，半导体制造商可以提高处理稳定性，减少化学品消耗，并提高水的再利用率。