CN1120130C - 净化处理半导体制造中冲洗水的方法 - Google Patents

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Abstract

用大网络磺化乙烯基芳族聚合物的热解化物吸附的方法，除去半导体制造工艺冲洗水中存在的亲水有机杂质和过氧化氢，热解化物的碳含量至少为85%(重量)，碳/氢原子比为1.5∶1至20∶1。尽管热解化物有疏水的表面，但它对这些杂质有较高的吸附性，因此比需用的活性炭有明显更高的脱除率。

Description

净化处理半导体制造中冲洗水的方法
本发明涉及一种用吸附法从半导体制造工艺产生的冲洗水中除去亲水的有机杂质的方法。
在集成电路(芯片)制造过程中，在某些操作后，特别是在刻蚀后，芯片必需用各种化学品以及用高纯水清洗。大量产生的冲洗水由于含有有机物和无机物而存在一定的质量问题，这就使得将它直接循环到生产超纯水的循环回路中成为不可能。另一方面，冲洗水的循环受由半导体制造产生的有机杂质相当大的妨碍，因为在超纯水循环回路中必需使TOC值(总有机碳含量)达到5ppb以下，而用传统的方法如反渗透法、混合床层过滤法、脱挥发份法、UV照射法和超滤法通常不能完全除去这些有机杂质。
典型的半导体冲洗水含有无机物和有机物，如氟化物、氯化物、硝酸盐、硫酸盐、磷酸盐和铵离子、过氧化氢、异丙醇、丙酮、N-甲基吡咯烷酮、四甲基氢氧化铵、甲醇、乙醇、丁醇、乙酸、二甲基亚砜、丙二醇甲醚乙酸酯等。主要的成分通常包括异丙醇、丙酮、N-甲基吡咯烷酮、氢氟酸、盐酸、硫酸、磷酸、过氧化氢、氨、氟化铵。四甲基氢氧化铵等。冲洗水的导电性通常为约10至2000μs/cm，而TOC值为约0.1至20ppm。pH值通常为约2至9，一般小于7。
由于费用和环保的原因以及由于水资源不足，因此希望这些冲洗水中总杂质含量通常明显低于普通自来水的杂质含量的，经处理使它们达到能在半导体制造中多次使用的纯净程度。
目前，冲洗水的处理利用离子交换法、反渗透法、活性炭吸附法、生物法以及超滤法。例如，通常通过弱碱性或强碱性阴离子交换树脂来除去游离无机酸和有机酸。此外，在一些情况下，反渗透装置已存在于超纯水装置的补充水处理系统中，通常它与现有的离子交换段一起，能很充分地除去无机的和有机的酸、碱和盐。另一方面，过氧化氢和亲水的有机化合物如异丙醇、丙酮、N-甲基吡咯烷酮、甲醇、乙醇、丁醇、二甲基亚砜等通常只能除去约50至70％，甚至在反渗透段中，也远远不能达到所需的、TOC值小于5ppb的要求。原则上，通过用活性炭进一步处理可进一步降低这些化合物的浓度，但甚至用这一方法常常也不可能或至少很难达到令人满意的分离。
所以，已知的方法存在必需将许多种纯化方法组合的缺点，以及特别是在有较高有机杂质浓度的情况下，常常不能达到令人满意的结果，和/或生物污泥可能对生物处理段或活性炭过滤器的下游各段有不良影响。
另一方面，如US-A4040990、JP-2-62/197308、US-A-4839331、EP-A-0604110和EP-A-0623557公开了由合成聚合物热解制得的煤状吸附剂；与活性炭相比，前者有更大的疏水表面，所以能比活性炭更有效地吸附疏水的有机化合物，特别是烃类和卤化的烃类。这样的产品有市售，如商品名Ambersorb(Rohm and Haas，Philadelphia，USA)。
EP-A-0285321还提出使用交联的聚合物的热解化物作为吸附剂，用来除去由于贮存可能在自来水或纯化水中作为焦精存在的细菌内毒素(脂多糖)。适合的交联聚合物例如是苯乙烯-二乙烯基苯共聚物，如果需要的话，它们可磺化或氯甲基化，然后胺化，得到离子交换树脂。正如EP-A-285321还公开的，这一方法也可用于水处理过程，其中在随后的过滤步骤以前，通过贮存水与热解化物接触来生产和贮存高纯水。但是，在这种情况下，生产超纯水的原料是自来水，而吸附步骤仅用采从贮存的高纯水中除去存在的任何焦精。
令人吃惊的是，我们现已发现，大网络的磺化乙烯基芳族聚合物的热解化物能比活性炭更有效得多地吸附在半导体制造冲洗水中存在的亲水有机杂质和过氧化氢，尽管前者有更大的疏水表面。而且，还发现，在所述的热解化物上吸附的杂质比在活性炭上吸附的更容易脱附。
所以，本发明涉及一种用吸附法从半导体制造工艺冲洗水中除去亲水有机杂质和/或过氢化氢的方法；该亲水有机杂质在15℃下与水的互溶数量至少为10％(重量)。该法的特征在于，使冲洗水通过大网络磺化的乙烯基芳族聚合物的热解化物床层；热解化物的碳含量至少为85％(重量)，碳/氢原子比为1.5∶1至20∶1。
已发现，本发明的方法不仅可达到相当高的脱除率，而且热解化物的吸附容量比常用的活性炭要高得多。即使用柱长(床层高度)为60cm的单一吸附段，通常可达到远远超过90％的脱除率；这一点是特别令人吃惊的，因为疏水的热解化物对亲水化合物有良好的吸附性是预想不到的，而在冲洗水中存在的杂质数量仅几个ppm。所以，通过本发明的方法，如果需要，可将两个或两个以上吸附段串联和/或优选与现有的新鲜水处理方法结合，很容易达到所要求的小于5ppb的TOC值。而且，本发明可使用的热解化物与通常不再生的活性炭相比有这样一优点：它们很容易再生。
在本发明的范围内，术语“亲水的有机杂质”指存在于半导体制造工艺冲洗水中的非极性有机化合物，在15℃下它们与水的互溶数量至少为10％(重量)，特别是在20℃下它们为液体的非离子型有机化合物，如在半导体制造中使用的溶剂，如异丙醇、丙酮，N-甲基吡咯烷酮、甲醇、乙醇、丁醇、乙酸、二甲基亚砜和丙二醇醚乙酸酯，特别是异丙醇、丙酮和N-甲基吡咯烷酮。
在本发明的范围内，术语“乙烯基芳族聚合物”指由乙烯基芳族单体聚合制得的聚合物。
在本发明的范围内，术语“大网络”表示所述的聚合物的大部分孔的半径至少为25纳米。
本发明可使用的热解化物的碳含量优选至少85％(重量)，而碳/氢原子比为1.5∶1至20∶1、优选2∶1至10∶1。它们可用已知的方法，通过控制大网络的磺化乙烯基芳族聚合物的热降解来制备，例如用US-A-4040990、US-A-4839331和JP-A-62/197308中公开的方法制备。
适用的原料聚合物是单乙烯属不饱和单体如苯乙烯、乙烯基甲苯、乙基乙烯基苯、乙烯基二甲苯和乙烯基吡啶的均聚物和共聚物，以及多乙烯属不饱和单体如二乙烯基苯、三乙烯基苯、二乙烯基甲苯和二乙烯基吡啶的均聚物和共聚物。但是，通常优选由一种单乙烯属和一种多乙烯属不饱和聚合物制得的共聚物。特别优选苯乙烯-二乙烯基苯共聚物，特别是由70-90重份苯乙烯与25-10重份二乙烯基苯聚合制得的共聚物。
聚合可按已知的方法进行，例如在US-A-4040990和US-A-4839331中公开的方法。优选的方法是US-A-4224415中公开的悬浮液聚合法。
聚合物的磺化也可按已知的方法进行，例如在升温下、用浓硫酸、发烟硫酸、三氧化硫或氯磺酸磺化。适合的条件也是已知的，例如由US-A-2366007、US-A-2500149、US-A-4224415和US-A-483931已知。
可通过将聚合物在约300至1200℃、优选约400至800℃下、在惰性气体(如氮、氦、氖和/或氩)气氛中加热约0.3至2小时来进行磺化聚合物的热解，如US-A-4040990和US-A-4839331公开的。如果需要，惰性气体可与活化气体如二氧化碳、氧或水蒸汽混合，或者可在活化气体中加热到约300至1200℃进行后处理。但是，未用活化气体处理的热解化物通常对亲水的有机杂质有更好的吸附性。
在聚合物热解过程中，除了在聚合物中存在的原有孔外，还形成微孔，原有孔在热解过程中大部分保留。根据由IUPAC规定的孔径，在热解化物中可区分孔半径大于25纳米的大孔、孔半径为1-25纳米的中孔以及孔半径小于1纳米的微孔，预计吸附大部分发生在微孔中，而中孔和大孔很容易变成微孔。
在本发明的吸附方法中，优选使用其大孔的比孔体积至少为约0.1ml/g、特别是至少为约0.13ml/g(如0.20-0.25ml/g)、中孔的比孔体积至少为约0.1ml/g、特别是至少为约0.12ml/g(如0.13-0.20ml/g)的那些热解化物。此外，通常优选其微孔的比孔体积至少为约0.1ml/g、特别是至少为约0.2ml/g(如0.2-0.4ml/g)的热解化物。在每种情况下，所述的孔体积对应于Micromeritics2400孔率计上由氮吸附等温线得到的数值。但是，所述的孔体积并不重要，原则上有较小孔体积的热裂化物也是适用的。
我们还令人吃惊地发现，随着热裂化物表面的疏水性增加，比较疏水的热解化物对半导体制造工艺冲洗水的吸附性实际上还进一步提高。事实是，在室温(24℃)和相对湿度94％下，热解化物能吸附＜300毫克水/克热解化物；已证明特别适用于在本发明的方法中吸附亲水的有机杂质；用能吸附＜200毫克水/克热解化物的那些热解化物可得到最好的结果。另一方面，关于过氧化氢的吸附，疏水性较低的热解化物常常更适用。观测结果表明，在室温(24℃)和相对湿度94％下能吸附至少200毫克水/克热解化物(例如200-400、优选200-300毫克水/克热解化物)的热解化物通常比能吸附＜200毫克水/克热解化物更适用。
所以，为了脱除亲水的有机杂质和过氧化氢，有可能并优选使用两种热解化物，其中一种能吸附至少200毫克水/克热解化物，而另一种能吸附＜200毫克水/克热解化物。该法可按这一方式实施：使冲洗水或者通过两种热解化物的混合物的床层，或者按任一顺序依次通过这两种热解化物中每一床层。
该热解化物在化学上、热上和物理上是高度稳定的。通常，它们的比表面为约100至2000m2/g、一般为约500至1200m2/g，并可使用近似球形颗粒的形式，其平均粒度例如为约0.2至1.5mm、优选约0.3至1.0mm。适合的热解化物是市售的，例如以商品名Ambersorb 348F、Ambersorb 572、Ambersorb 575、Ambersorb 563和Ambersorb 564(Rohmand Haas，Philadelphia，USA)，所有都适用于吸附亲水的有机杂质和过氧化氢。但是，优选的是，Ambersorb 563和/或564可用于吸附亲水的有机杂质，而Ambersorb 572和/或575可用于吸附过氧化氢。
本发明的方法可按传统的吸附方法实施，热解化物优选以吸附过滤器或吸附塔排列，它们可按上流法或下流法操作。通常，推荐至少约30cm、如约60至150cm的床层高度。为了提高脱除率，原则上可增加床层高度；但在这种情况下，将两个或两个以上的热解化物床层串联通常是更有利的。在热解化物床层下游，优选可有约碱性的阴离子交换器。
如果使用新鲜的热解化物，在运转以前将去离子水通过热解化物数天，以便使热解化物水合是适当的。这样优选首先将热水通过床层，然后进一步在室温下进行处理。
当热解化物用废了或脱除率下降到某一数值以下如90％以下时，可中断冲洗水进料，然后以并流法或逆流法再生热解化物，再重新使用。优选可将约100至250℃的水蒸汽通过热解化物进行再生。通常，小于约12倍床层体积的水蒸汽(以冷凝物测量的)足以基本上除去被吸附的杂质。
在操作过程中，流速可为约5-40倍床层体积冲洗水/小时；而在再生过程中，流速为约0.1至2.0倍床层体积水蒸汽(以冷凝物测量的)/小时。
为了避免在再生过程中冲洗水处理有任何中断，优选可采用2个或3个热解化物床层，其中1个或2个床层在任何时候都在使用中，而1个床层正在再生。
本发明的吸附方法用以下实施例更详细地说明。
实施例1
4根柱直径为40cm和柱高为1.5m的透明聚氯乙烯柱，每一根用一种吸附剂装至床层高度为60cm(床层体积BV＝0.751)以便比较，吸附剂为(A)Amberlite XAD16(Rohm and Haas)和(B)活性炭BD(Chemviron)以及根据本发明的(C)Ambersorb 5 72(Rohm and Haas)和(D)Ambersorb 563(Rohm and Haas)。为了在柱中水合，用水以1l/h的流速通过新鲜吸附剂流动7天，以去离子。随后，在每种情况下，在一天时间内将含有约10至20ppm过氧化氢和5.2-6.5ppmTOC含量(含有重量比1∶1的丙酮和异丙醇)的水在20-22℃下在流速为5BV/h下通过柱子，并测量流出水中TOC值和过氧化氢含量。在每一情况下中断水供应过夜。进料流中的TOC值和一直到脱除率降至90％的实验吸附容量列入表1，同时列出过氧化氢的脱除率％(H2O2分解％)。基于进料流中的TOC值得到的以0％表示的TOC吸附脱除率与供水通过床层的体积作图示于图1。正如结果表示，使用本发明的热解化物得到明显更高的TOC脱除率，它还有更高的吸附容量。
表1
    吸附剂 进料流中TOC浓度，ppm  吸附容量，gTOC/1热解化物   H2O2分解率，％
(A)AmberliteXAD16     5.2     0.03     5-10
(B)Carbon BD     6.5     0.08     100
(C)Ambersorb572     6.1     0.26     100
(D)Ambersorb563     5.2     1.93     40

Claims (13)

1.用吸附法从半导体制造工艺冲洗水中除去在15℃下与水互溶数量至少为10％(重量)的亲水有机杂质和/或过氧化氢的方法，其特征在于，使冲洗水通过其碳含量至少为85％(重量)和碳/氢原子比为1.5∶1至20∶1的、由大网络磺化乙烯基芳族聚合物制得的热解化物的床层。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，使用有其孔半径大于2 5纳米和比孔体积至少为0.1ml/g的大孔以及有其孔半径为1-25纳米和比孔体积至少为0.1ml/g的中孔的热解化物。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于，使用有其孔半径大于25纳米和比孔体积至少为0.13ml/g的大孔以及有其孔半径为1-25纳米和比孔体积至少为0.12ml/g的中孔的热解化物。
4.根据权利要求1-3中任一项的方法，其特征在于，使用有其孔半径小于1纳米和比孔体积至少为0.1ml/g的微孔的热解化物。
5.根据权利要求1-3中任一项的方法，其特征在于，使用有其孔半径小于1纳米和比孔体积至少为0.2ml/g的微孔的热解化物。
6.根据权利要求1-3中任一项的方法，其特征在于，使用碳/氢原子比为2∶1至10∶1的热解化物。
7.根据权利要求1-3中任一项的方法，其特征在于，使用在室温和相对湿度94％下能从空气中吸附＜300毫克水/克热解化物的热解化物。
8.根据权利要求1-3中任一项的方法，其特征在于，使用在室温和相对湿度94％下能从空气中吸附＜200毫克水/克热解化物的热解化物来除去亲水的有机杂质。
9.根据权利要求1-3中任一项的方法，其特征在于，使用在室温和相对湿度94％下能从空气中吸附至少200毫克水/克热解化物的热解化物来除去过氧化氢。
10.根据权利要求1-3中任一项的方法，其特征在于，使用苯乙烯-二乙烯基苯共聚物的热解化物。
11.根据权利要求1-3中任一项的方法，其特征在于，使用其苯乙烯/二乙烯基苯重量比为75-90∶10-25的苯乙烯-二乙烯基苯共聚物的热解化物。
12.根据权利要求1-3中任一项的方法，其特征在于，使用其平均粒度为0.2-1.5mm的热解化物。
13.根据权利要求1-3中任一项的方法，其特征在于，为了再生热解化物，中断冲洗水供料，并将100-250℃的水蒸汽通过热解化物床层。
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