CN102952621B

CN102952621B - 硅晶圆切割研磨废弃物的回收处理方法及其设备

Info

Publication number: CN102952621B
Application number: CN201110239229.7A
Authority: CN
Inventors: 杨志中
Original assignee: TAIWAN SHUIZAISHENG TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: TAIWAN SHUIZAISHENG TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2011-08-19
Filing date: 2011-08-19
Publication date: 2015-01-21
Anticipated expiration: 2031-08-19
Also published as: CN102952621A

Abstract

本发明公开一种硅晶圆切割研磨废弃物的回收处理方法及其设备，先以水来混合经过脱水的滤饼，使滤饼被稀释成工作液体，且通过水与滤饼中的硅反应形成二氧化硅与氢气，然后将氢气抽引回收，接着，再通过水来进行碳化硅与硅粒的比重分离，以便选别回收，继之，再进行固液分离，使液体被分离成固态的二氧化硅与液态的水及聚二乙醇，最后，再来进一步分离水及聚乙二醇，如此，即能在滤饼中回收有用的硅粒、碳化硅、二氧化硅及聚乙二醇，以减少废弃物总量，且更附带产出具有商业价值的氢气，使本发明能提升利用的附加价值。

Description

硅晶圆切割研磨废弃物的回收处理方法及其设备

技术领域

本发明涉及一种处理硅晶圆废弃物的方法与装置，且特别是有关于一种能增加产品附加价值，且能有效地解决环境污染问题的硅晶圆切割研磨废弃物的回收处理方法及其设备。

背景技术

在制造半导体芯片及太阳能板的产业中，将硅晶棒切割成厚薄均一的硅晶圆（片）已属于标准流程的一环，其通常使用特殊的金属线锯（Wire Saw）为切割刀具，并采用高硬度的碳化硅（SiC，金钢砂）为研磨料，再辅以混有聚乙二醇（PEG）、二乙二醇（DEG）、丙二醇（PG）等矿物油酯为切削冷却液，这样，当金属线锯高速往复运行时，就可配合碳化硅为介质来提高线锯的切削能力，以对硅芯片形成切割作用，且切割同时，将以聚乙二醇为主成份的切削液对着切割部位喷出，一方面除了作为冷却及润滑用途之外，另一方面尚可将切割时所产生的硅粉及杂质带出切割槽道，使晶圆切割制程能顺利且平稳地进行，以利进行后续制程。

在硅晶圆被切割、研磨的过程中，对切割区所喷出且使用过后的切削液，会夹带着切削时所产生的硅粉碎屑、杂质与被磨耗的碳化硅，不断地排出切割区外，进而成为粒子浓度与浊度极高的浆状废油泥，以往，国内多数的硅晶圆切割厂商对于这些废油泥，只能以废弃物方式来处理，或是以重油进行焚烧后将灰渣掩埋，但是，仍需要支出高昂的费用请废弃物业者处理，且废油泥如果以焚化方式处理，也会产生大量的二氧化碳，相当不环保，因此，对于硅晶圆切割研磨后所产生的废油泥，焚化或掩埋均非理想的处理方法。

目前，国外业者已尝试采用过滤设备来回收废油泥中的切削油料，其通常利用薄膜技术来进行固液分离，虽然此方式可获得部分液态再生油，供硅晶圆切割研磨时回收再使用，但此法却也会产生大量的污泥（滤饼），这些污泥中仍含有可再利用的碳化硅、硅粒与聚乙二醇，但并没有再予以回收处理，而只视同废弃物来掩埋，同样造成严重的环保问题，且仅以固液分离方式来进行再生油的回收，其经济效益并不理想，主因在于废油泥进行膜过滤时，并没有获得良好的前处理，使得膜孔极易污堵，造成膜的操作周期降低，成本增加。

此外，近年来在太阳能产业的强力带动之下，使得原本作为耗材的碳化硅已严重供不应求，连带让作为润滑与冷却用途的聚乙二醇也随之大幅提升用量，且已成了一项颇高的支出，因此，基于成本与环保因素的考虑之下，业者除了自废油泥中回收再生油之外，也势必须考虑将尚有利用价值的碳化硅、硅粉，自滤饼中进一步地分离回收，以减少废弃物的生成与总量，以降低环境污染与处置成本。

因此，如何在回收成本与环保之间达成平衡，至今仍没有一有效率且符合操作成本的处理方法，使得硅晶圆切割业者在环保改善成本负荷上愈来愈高，故如何积极通过提高生产质量及污染防治技术来兼顾经济与环保，降低生产成本，提高产业竞争力，已成为目前相关产业迫切努力的目标。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种可减少废弃物生成、相对回收成本低，不仅能有效地解决环保问题，且可自废弃物中分离出可回收的再生油及碳化硅等副产品的硅晶圆切割研磨废弃物的回收处理方法。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种硅晶圆切割研磨废弃物的回收处理方法，其中，包含以下步骤：

步骤A：将预先经过脱水后的一滤饼置入一处理槽中，该滤饼是自硅晶圆切割研磨后所产生的浆状废油泥进行压滤后所生成，并且至少含有硅粉、碳化硅以及由聚乙二醇为主所构成的残留切削液；

步骤B：在该处理槽内加入一催化剂，使该滤饼被混合稀释成一工作液体，且可促使工作液体中的硅与该催化剂产生催化反应后，以生成固态的二氧化硅及气态的氢气；

步骤C：将处理槽内的氢气抽引入一集气槽内压缩储置；

步骤D：利用比重分离方式在已稀释污泥浓度后的工作液体之中，更进一步地分离出其内的硅及碳化硅，以便选别回收；

步骤E：将选别出硅及碳化硅的工作液体，再利用膜过滤方式进行固液分离，促使该工作液体能被分离成固态的二氧化硅及液态的水、聚乙二醇；以及

步骤F：将液态的水及聚乙二醇再经过逆渗透处理后，而获得可再利用的水以及以聚乙二醇为主成份的回收切削液。

进一步，在步骤B时，所加入的催化剂为水。

进一步，在步骤E时，所使用的固液分离是采用圆型平板UF膜来进行分离。

进一步，在步骤F之后，可将经过逆渗透回收后的水，再引回该处理槽中，供步骤B的催化剂来使用。

进一步，在步骤F之后，液态的聚乙二醇再以蒸馏方式除去其残留水分及废油，以形成可供再使用的再生油。

进一步，在步骤F时，是以RO或NF膜来进行逆渗透处理。

进一步，在步骤B时，还包含有在该处理槽内打入加压气体，以混合成该工作液体。

进一步，在步骤D之后，更具有将选别后的硅及碳化硅经过干燥处理，以便包装回收。

进一步，在步骤E时，是以负压吸力来抽取工作水体中的水及聚乙二醇。

本发明的第二目的在于提供一种能降低膜堵塞，以延长膜操作寿命，且能增加回收处理效率的硅晶圆切割研磨废弃物的回收处理设备。为了达到该第二目的，其采用的技术方案为：

一种硅晶圆切割研磨废弃物的回收处理设备，其中，包含：

一处理槽，为密闭式的容器，用以容置废弃滤饼及水液混后的工作液体，具有一高于液面高度的投料口、一用以抽引氢气的排气口，以及一曝气孔；

一集气槽，用来回收产生于该处理槽内的氢气；

一过滤槽，具有一伸缩管，该伸缩管自外部延伸入该处理槽内，其底端具有一活动吸嘴，用以将工作液体内的水、二氧化硅及聚乙二醇等液体抽送至该过滤槽内；

一固液分离单元，为圆型平板UF膜组并设置在该过滤槽内，具有多个UF膜、组串有前述UF膜且呈水平可枢转的一集液管、一位于该过滤槽外部用以带动UF膜以集液管为中心转动的马达，以及一用来唧取透过UF膜且汇集到该集液管内液体的抽油泵；以及

一逆渗透过滤单元，接设在该抽油泵的出水端，用以进一步地分离出水及浓缩的聚乙二醇，而获得可回收再利用的水及以聚乙二醇为主成份的再生油，该逆渗透过滤装置具有一使回收的水可借着该回水管路抽引回该处理槽内的回水管路。

采用上述结构后，本发明先以水为主成份的催化剂来混合滤饼，使滤饼被稀释成工作液体，进而与硅粉产生催化作用形成二氧化硅与氢气，然后将氢气抽引回收，接着，再通过水来进行比重分离，以选别碳化硅与剩余的硅粒，继之，再进行固液分离，使工作液体被分离成固态的二氧化硅与液态的水及聚二乙醇，最后，再来进一步分离出水及聚乙二醇，如此，使得原本回收制程中所产出的废泥渣，能再回收出有用的硅粒、碳化硅、二氧化硅及聚乙二醇，以减少废弃物总量，降低废弃物以掩埋方式的困扰，且更附带产出具有商业价值的氢气，使本发明能提升利用的附加价值，更达成节能减废的目的。

附图说明

图1为一方块流程图，说明本发明硅晶圆切割研磨废弃物的回收处理方法的处理流程。

图2为一系统结构图，说明本发明处理滤饼的回收系统整体配设情形。

图3为一局部剖视图，说明本发明的过滤槽内部结构。

图4为一局部剖视图，说明本发明的圆型平板UF膜过滤装置的剖面结构。

图中：

100 滤饼 200 处理槽

210 投料口 220 曝气孔

230 排气口 240 落料口

250 筛料桶 300 工作液体

400 集气槽 500 过滤槽

510 伸缩管 520 吸嘴

600 固液分离单元 610 UF膜

620 集液管 630 马达

640 抽油泵 650 刮动组件

700 逆渗透处理单元 710 回水管路

800 储油槽。

具体实施方式

为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。

参照图1至图3，本发明硅晶圆切割研磨废弃物的回收处理方法的一实施例，包含以下步骤：

步骤（A）：将预先经过压滤脱水处理后的一滤饼100（Filter Cake）由一投料口210置入一处理槽200中，而该处理槽200呈密闭状，该滤饼100自晶圆切割研磨后所产生的浆状废油泥（Wafer Cutting Waste）进行初步的压滤后所生成，并且至少含有硅粉（Si）、碳化硅（SiC）及聚乙二醇（PEG）为主所构成的残留切削液。

在本实施例中，浆状废油泥采用板框式压滤机（plate-frame filter press，或称污泥脱水机）来进行脱水，利用压滤机的滤布来截留废油泥中大部分的固形物，再经由高压空气的二次压缩后形成泥渣状的滤饼，这种滤饼除了含有硅粉（Si）、碳化硅（SiC）及杂质之外，仍残留少量由聚乙二醇（PEG）为主所构成的切削油酯，本发明即是针对滤饼100中的这些组成物来进行再处理及回收包装。

步骤（B）：在该处理槽200内泵送入一催化剂，在本实施例中，该催化剂较佳地为含有水成份的液体，更进一步地，此液体中并带有少量的微细气泡，如此，可使原本呈泥渣状的滤饼100在被稀释后，成为带有气泡与固形物的工作液体300，而前述的微细气泡可以采用文氏管原理，将液、气预先混合后再打入该处理槽200中，一方面可加速水体与滤饼100的搅拌以产生化学反应，另一方面，可将滤饼100中质量较轻的残余聚乙二醇等油质及杂质，借着气泡的浮力而托升于液面上层，以利于后续的分离。因此，在预定时间之后，工作液体300中的催化剂与硅粉形成催化反应，并逐渐地生成固态的二氧化硅（SiO₂，玻璃砂）及气态的氢气（H），其化学反应式为：

Si+2H₂O＝SiO₂(固态)+2H₂(气态)

在本实施例中，该催化剂是由该处理槽200近底部的一曝气孔220泵入，此外，上述催化剂中所含有的液体与气泡量的比例，是以3：1为最佳，且工作液体300的液面高度略低于该投料口210，以提供氢气暂存空间。

步骤（C）：在预定时间之后，将处理槽200上层的氢气自一排气口230抽引入一集气槽400内作压缩储置，其产生的氢气可以另外分装出售，供产生热源再利用。

步骤（D）：由于硅粒与碳化硅的比重皆高于水（硅比重为2.3，碳化硅的比重为3.2），因此，在氢气（H）被抽引出处理槽200后，便可以利用比重分离方式，在该工作液体300之中更进一步地分离出残留硅粒及碳化硅，在本实施例中，依序沉降在该处理槽200底部的固态碳化硅及硅粒，可再由底部的一落料口240排出至一筛料桶250中，并经过干燥处理后，以便各自选别（Sorting）回收。

步骤（E）：将选别出硅粒及碳化硅的工作液体300，抽送至一过滤槽500内进行固液分离，在本实施例中，该过滤槽500具有一伸缩管510，该伸缩管510自外部延伸入该处理槽200内，且底端接设有一圆锥形的吸嘴520，该吸嘴520可随着工作液体300的液位高度进行活动升降，且该吸嘴520底端的开孔设有细微网目（图未示），用以将工作液体300内的水、二氧化硅及聚乙二醇等液体抽送至该过滤槽内500。

而且，该过滤槽500内设有半沉降式的一固液分离单元600，该固液分离单元600优选地采用圆型平板UF膜，请参图4所示，其整体结构是将多个UF膜610串组于一呈水平且可枢转的集液管620上，并在该过滤槽500外部以马达630来带动UF膜610以集液管620为中心转动，而另一侧则利用一抽油泵640，来唧取透过UF膜610且汇集到该集液管620内的液体，借着抽油泵640的负压吸力抽引之下，使工作液体300中呈液态的水、聚乙二醇等切削液，便可以通过UF膜610的过滤而被抽送出该过滤槽500外汇集，而固态的二氧化硅等细小杂质等固形物则被截留在过滤槽500内，且随着过滤槽500内固形物粒子浓度的不断提高，就可以将二氧化硅及杂质经过蒸发干燥处理，以回收作为二级建材再利用(例如作为烧砖、建筑隔间材料或步道用地砖…等) ，这样，原有的工作液体300就能被分离成固态的二氧化硅及液态的水、聚乙二醇等切削液。

在此步骤中，为了延长UF膜的操作周期，每个UF膜610之间可挂置上一刮动组件650，该刮动组件650可以在UF膜610旋转时，对膜面形成自动刮泥的作用，以防止膜表面积垢、堵塞，进而降低水液通过膜的滤速。

步骤（F）：将液态的水及聚乙二醇再经过一逆渗透处理单元700的逆渗透处理，该逆渗透处理单元700可采用NF（Nano Filtration）膜或RO（Reverse Osmosis）膜来进行，本实施例是使用RO膜，利用RO膜只允许水分子透析过膜孔的特性，来进一步地分离出水及浓缩的聚乙二醇，而获得可回收再利用的水及以聚乙二醇为主成份的油酯，其中，回收水可以一回水管路710抽送到步骤（B）的处理槽200内，以提供作为与硅粉的催化催化剂使用，以减少处理槽200所需要的用水量。

步骤（G）：前述的液态聚乙二醇可再以蒸馏方式除去其残留水分及废油，而浓缩后的聚乙二醇则可以通过浊度计的检测后，以形成可供回收再利用的再生油，并送至一储油槽800，再生油可另行包装后供晶圆切割研磨制程使用。

因此，本发明先利用以水为主成份的催化剂来混合经过压滤脱水处理后的滤饼100（废泥渣），使滤饼100被稀释成污泥浓度较低的工作液体300，进而与硅粉产生催化作用形成固态的二氧化硅与气态的氢气，然后将氢气抽引回收，接着，再藉由水来进行比重分离，以选别出工作液体300中的碳化硅与剩余的硅粒，继之，再采用UF膜610的来进行固液分离，使工作液体300被分离成固态的二氧化硅与液态的水及聚二乙醇，最后，再以RO膜来进一步分离水及聚乙二醇，如此，使得原本回收制程中所产出的废泥渣，能再回收出有用的硅粒、碳化硅、二氧化硅及聚乙二醇，以减少废弃物总量，降低废弃物以掩埋方式的困扰，且更附带产出具有商业价值的氢气，使发明能提升利用的附加价值，更达成节能减废的目的。

如上所述，相较于以往晶圆切割研摩废弃物处理方法的问题，本发明具有以下功效及优点：

一、本发明将原本不能再处理的废弃滤饼100（泥渣），先经过加水以催化出氢气，再以比重分离选粒出碳化硅与硅粒，并通过UF膜610与RO膜的设置，来进一步分离工作液体300中的二氧化硅、水及聚乙二醇，最后产出可供回收使用的氢气、硅粒、碳化硅、二氧化硅、水及聚乙二醇，使本发明能提升回收利用的附加价值，且处理后剩余的淤渣等废弃物量相当少，以达成节能减废的目的。

二、本发明在进行固液分离程序前，先以比重分离方式选取出固态的碳化硅及硅粒，来降低工作液体300中固形物的比例，能有效地延缓后续进行固液分离时，UF膜610的积垢堵塞与工作液体300的浓度极化现象，膜的使用周期寿命得以延长，降低工作成本。

三、此外，固液分离所采用的圆型平板UF膜610，利用膜转动时同步被刮动的效果，可以大幅降低膜面结垢与滤饼的生成，故能提高整体回收处理的效率，并延长膜的操作寿命性，使本发明能兼顾回收效率与成本。

上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims

1.一种硅晶圆切割研磨废弃物的回收处理方法，其特征在于，由以下步骤组成：

步骤B：在该处理槽内加入一催化剂，使该滤饼被混合稀释成一工作液体，且可促使工作液体中的硅与该催化剂产生催化反应后，以生成固态的二氧化硅及气态的氢气，前述催化剂为水；

步骤C：将处理槽内的氢气抽引入一集气槽内压缩储置；

步骤E：将选别出硅及碳化硅的工作液体，再利用膜过滤方式进行固液分离，促使该工作液体能被分离成固态的二氧化硅及液态的水、聚乙二醇，前述膜过滤方式是采用圆型平板UF膜；以及

2.如权利要求1所述的硅晶圆切割研磨废弃物的回收处理方法，其特征在于，在步骤F之后，将经过逆渗透回收后的水，再引回该处理槽中，供步骤B的催化剂来使用。

3.如权利要求1所述的硅晶圆切割研磨废弃物的回收处理方法，其特征在于，在步骤F之后，液态的聚乙二醇再以蒸馏方式除去其残留水分及废油，以形成可供再使用的再生油。

4.如权利要求1所述的硅晶圆切割研磨废弃物的回收处理方法，其特征在于，在步骤F时，是以RO或NF膜来进行逆渗透处理。

5.如权利要求1所述的硅晶圆切割研磨废弃物的回收处理方法，其特征在于，在步骤B时，还包含有在该处理槽内打入加压气体，以混合成该工作液体。

6.如权利要求1所述的硅晶圆切割研磨废弃物的回收处理方法，其特征在于，在步骤D之后，更具有将选别后的硅及碳化硅经过干燥处理，以便包装回收。

7.如权利要求1所述的硅晶圆切割研磨废弃物的回收处理方法，其特征在于，在步骤E时，是以负压吸力来抽取工作水体中的水及聚乙二醇。

8.一种硅晶圆切割研磨废弃物的回收处理设备，其特征在于，包含：

一集气槽，用来回收产生于该处理槽内的氢气；

一过滤槽，具有一伸缩管，该伸缩管自外部延伸入该处理槽内，其底端具有一活动吸嘴，用以将工作液体内的水、二氧化硅及聚乙二醇抽送至该过滤槽内；

一固液分离单元，为圆型平板UF膜组并设置在该过滤槽内，具有多个UF膜、组串有前述UF膜且呈水平枢转的一集液管、一位于该过滤槽外部用以带动UF膜以集液管为中心转动的马达，以及一用来唧取透过UF膜且汇集到该集液管内液体的抽油泵；以及

一逆渗透过滤单元，接设在该抽油泵的出水端，用以进一步地分离出水及浓缩的聚乙二醇，而获得可回收再利用的水及以聚乙二醇为主成份的再生油，该逆渗透过滤装置具有一使回收的水借着该回水管路抽引回该处理槽内的回水管路。