CN1313382C - 废水处理系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种新颖及改进的废水处理系统，适用于处理CMP制程的废水与BG废水及/或BW废水。一暂存槽接收来自CMP制程的废水，一暂存槽接收来自BG制程的废水，一暂存槽接收来自BW的废水，另一收集槽接收来自CMP(chemicalmechanical polish)暂存槽废水与背面研磨(backside grinding，BG)暂存槽的废水。一反应槽接收来自收集槽的废水及BW(back wash)的废水，一凝结用带正电荷的高分子助凝剂在反应槽中与研浆粒子结合，使研浆粒子从溶液中沉淀析出。一或一对沉降槽接收来自反应槽的废水，且与带负电荷的高分子聚合物结合的研浆粒子在沉降槽中从废水中分离出来。一放流槽接收来自沉降槽净化后的废水，此净化后的废水可用输送泵送至一储存槽，例如一回收水(RCW)槽，用于例如废气洗涤装置的清洁制程。

Description

废水处理系统及方法
技术领域
本发明是有关于一种在半导体制造工业中用于回收研磨半导体晶片化学机械研磨废水的装置，特别是有关于一种新颖、改进的系统及制程，适用于处理在半导体集成电路制造中的化学机械研磨制程或其它研磨制程产生的废水，并使处理过后的放流水回收再利用，例如废气洗涤装置的清洗制程。
背景技术
在从硅晶片制造半导体装置的过程中，会使用不同的半导体制程设备及工具，其中之一是用于研磨薄且平的半导体晶片以得到平坦化的表面。在半导体装置常用到的浅槽隔离层(shallow trench isolation layer，STI)，支援层间介电质(inter-layer dielectric，ILD)，或金属层间介电质(inter-metal dielectric，IMD)上高度地要求平坦化的表面。此平坦化的制程是很重要的，因为藉此后续的高分辨率微影制程才得以进行，以制造下一阶段的电路。该高分辨率微影制程的精确度只有在整体平坦的表面才能达到。因此，该平面化制程在半导体装置的制造中为一重要的制程。
一整体的平坦化制程是藉由一种称为化学机械研磨(CMP)的技术来实施。该制程已被广泛地用于在制造现代半导体装置中的ILD或IMD层。化学机械研磨制程(以下称CMP制程)是使用一旋转的研磨台以及一气动(pneumatically-actuated)的研磨头。该制程主要用于研磨一半导体晶片的正面或装置面，以达到平坦化而供下一阶段的制程使用。一晶片在制造过程中经常做一或多次的平坦化，使该晶片的上表面尽可能地平坦。一晶片在一CMP装置中是搭载于一载具(carrier)上，并且面朝下地压于覆盖有胶态硅或铝的研浆的研磨垫上。
CMP制程经常用于一半导体装置ILD或IMD层的平坦化。这些层典型地由一介电质材料所形成，所使用的最普遍的介电质材料是二氧化硅。研磨介电层的目的在于除去印刷图案并维持整个晶片良好的平整度。该介电质材料的移除量正常下大约5000到10000左右。ILD或IMD层研磨的均匀度要求是非常严格的，因为不均匀的介电膜会导致不良的微影而造成窗蚀刻(windowetching)或形成栓塞(plug-formation)的困难。CMP制程也可用于研磨金属，例如在钨栓塞形成以及在镶嵌结构中。一金属研磨制程涉及到研磨化学，与氧化物研磨相当不同。
用于CMP制程的重要成分包括一自动化旋转的研磨台以及一晶片夹持器，该研磨压板与该夹持器均施加压力于晶片上，并独立于压板以外地旋转晶片。晶片表面的研磨是由一液态研浆(slurry)所完成，该液态研浆主要包括胶状的二氧化硅悬浮于去离子水或KOH溶液中。该研浆是由一自动研浆供应系统做经常的供给，以确保研磨垫的均匀湿润以及研浆适当的输送及回复。对于一高量的晶片制程，自动化的晶片装载/卸载以及卡匣搬运机(cassettehandler)也包括于CMP设备中。
如名称所示，CMP制程藉由化学与机械的装置执行一微观动作(microscopic action)的研磨。虽然移除氧化层材料的确实机制尚未得知，假设二氧化硅的表层是由一连串的化学反应所移除，该化学反应包括：在氢化反应中与晶片及研浆粒子的氧化物面形成氢键；在研浆与晶片之间形成氢键；在研浆与晶片之间形成分子键；最后，当研浆粒子移开晶片表面时，研浆或晶片表面之间的氧化键便被打断。CMP研磨制程通常被认为并非利用研浆来(机械性的)磨耗晶片表面的制程。
虽然CMP制程提供一些胜过传统机械磨耗式的研磨制程的优点，但CMP制程的缺点在于难以控制在晶片表面上不同位置处的研磨率。由于晶片表面的研磨率正比于研磨垫的相对旋转速度，因此在晶片表面一特定点的研磨率视与旋转轴的距离而定。换句话说，在晶片边缘部分(最接近研磨垫的旋转中心)所得的研磨率会小于在该晶片相对边所得的研磨率。即使在研磨过程中藉由旋转晶片表面做补偿，而可以得到较为平均的研磨率，但是在CMP制程中晶片表面通常仍处于一变动的研磨率中。
最近，发展出一化学机械研磨方法，其中研磨垫不是做旋转而是做线性运动。因此被称为线性化学机械研磨制程，其中研磨垫相对于旋转中的晶片表面做线性移动。此线性研磨法可在一平坦化的制程(用来从晶片表面移除一薄膜层)中提供晶片表面较为均匀的研磨率。线性CMP系统增加的优点为设备具有较简单的构造，不仅节省设备的成本，同时也节省了无尘室环境所需的地板面积。
在半导体的制程中，在对形成于晶片(未图示)前端的个别集成电路芯片实施切割及封装之前，对该晶片的背面做研磨以除去不需要的大量的半导体材料。因此，晶片的背面研磨制程所产生的废水称为背面研磨废水(backside grinding，BG)。
用于化学机械研磨制程中的液态研浆所产生的废水必须适当地处理，在丢弃前从研浆中除去其它化学物质以及研浆粒子。一现有的废水处理系统10如图1所示，该废水处理系统10包括一废水暂存槽(holding tank)12接受来自CMP装置(未图标)(以下分别称为CMP废水)。该废水从暂存槽12藉由一组输送泵16分配至一收集槽(collection tank)14中。
第二组输送泵18将来自收集槽14中的废水送进一反应槽(reactiontank)20中。以定量的带正电荷高分子助凝剂FSC-835分配至反应槽20中，于其中带正电荷高分子助凝剂FSC-835快速地与废水混和而与废水中研浆化合物结合或凝结。一反应槽输出管线22将废水连同与高分子结合的沉淀物从反应槽20分配至一或多个沉降槽(clarifier)24。在废水进入沉降槽24前，将带负电荷高分子聚合物EA-630导入反应槽输出管线22以结合胶凝后的研浆化合物。在沉降槽24中，该高分子结合的沉淀物粒子从废水中分离，澄清液并经由一沉降槽输出管线28分配至一放流槽26。在该放流槽26中，再对废水的pH值做监测。最后，该废水从该放流槽26，藉由一组输送泵32，经由一流放管线30而导入酸碱中和系统(未标示)或一回收水槽(reused citywater tank，RCW)34。放流至回收水槽34的废水可作为次级的用水，例如废气洗涤装置(scrubber)的清洁。
BG废水处理系统与CMP废水处理系统流程大致一样。由现有的BG废水处理技术得知BG废水中的研磨粒子为不带电荷粒子，故需与其它带电荷粒子共同处理或使用带正电荷性强的高分子聚合物如多元聚氯化铝(PAC)及调整pH值维持在6～8之间，才能使BG废水中的粒子有良好的沉降性。经由现有的BG废水处理后，澄清液通常因导电度过高(＞2000us/cm)无法回收再利用而直接排放。由BG废水水质分析可知，BG废水水质除了悬浮固体物(SS)较高以外，其它水质如导电度、pH酸碱值、硬度等皆符合回收水水质标准。有鉴于此，需要一种新颖、改进且更有效率的BG废水处理系统，用于沉淀出在BG废水中的研磨粒子，以适当地处理并回收该BG废水。
BW废水处理系统与BG废水处理系统或CMP废水处理系统流程大致一样。由现有的BW废水处理技术得知BW废水中的粒子为带正电荷粒子，故需与其它带电荷粒子共同处理或使用带负电荷性强的高分子聚合物如EA-630及调整pH值维持在6～8之间，才能使BW废水中的粒子有良好的沉降性。现有的BW废水处理常与其它带电荷粒子共同处理。处理后，澄清液通常因电导度过高(＞2000us/cm)无法回收再利用而直接排放。由BW废水水质分析可知，BW废水水质除了悬浮固体物(SS)较高以外，其它水质如导电度、pH酸碱值、硬度等皆符合回收水水质标准。有鉴于此，需要一种新颖、改进且更有效率的BW废水处理系统，用于沉淀出在BW废水中的粒子，以适当地处理并回收该BW废水。
尽管带正电荷高分子助凝剂FSC-835及带负电荷高分子聚合物EA-630已经足以使用于大多数化学机械研磨中的研浆废水中，以使溶解的化学物质凝结并沉淀析出，但由于废水暂存槽12接收来自Cu-CMP制程的废水，因此需要过量的高分子以充分地使废水中大量的研浆化学物质产生沉淀，惟这会造成废水处理过程中额外的成本，且处理后的废水无法回收再利用。有鉴于此，需要分别处理CMP及Cu-CMP废水以及一种新颖、改进且更有效率的CMP废水处理系统，用于沉淀出在CMP废水中的研浆化学物质，以适当地处理并回收该CMP废水。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新颖及改进的系统适用于处理CMP废水并使CMP废水回收再利用。
本发明的另一目的在于提供一种新颖及改进的系统可同时处理CMP与BG废水及/或CMP与BW废水。
本发明的另一目的在于提供一种新颖及改进且有效率而经济的废水处理系统。
本发明的另一目的在于提供一种新颖及改进的废水处理系统，便于有效地使用凝结用高分子助凝剂以凝结及沉淀废水中的粒子。
本发明的另一目的在于提供一种新颖及改进的废水处理系统，将背面研磨(backside grinding，BG)废水及/或超纯水前处理砂滤反洗废水处理(backwash treatment，BW)废水与CMP废水结合，以增进CMP废水中粒子的凝结及沉淀。
本发明的另一目的在于提供一种新颖及改进的废水处理系统，可将处理后的废水回收再利用，并不限于CMP废水。
本发明的另一目的在于提供一种新颖及改进的废水处理方法。
根据本发明的目的及优点，本发明是有关于一种新颖及改进的废水处理系统适用于处理CMP制程的废水。该废水处理系统包括一收集槽接受来自CMP废水暂存槽的废水，该收集槽更可接受来自一背面研磨(backside grinding，BG)废水暂存槽的废水。一反应槽接收来自该收集槽的废水，一种带正电荷高分子助凝剂与反应槽中的研浆粒子结合，使研浆粒子形成絮凝物。一或一对沉降槽接收来自反应槽的废水，一种带负电荷高分子聚合物与形成絮凝物的研浆粒子在该沉降槽中沉淀并与废水分离。一放流槽接收来自沉降槽的净化水，且该净化水可用输送泵输送至一储存槽，例如一回收水槽用于一废气洗涤装置的清洁过程。
CMP反应槽除了接收CMP废水以及背面研磨废水(以下称BG废水)之外，该反应槽还可以从反洗废水处理(BW)废水暂存槽接收超纯水前处理砂滤塔反洗废水(以下称BW废水)。该凝结用高分子助凝剂在反应槽中藉CMP与BG及/或BW废水中的粒子架桥或胶凝。这大大地加速了沉降槽中粒子沉淀的过程并促进与高分子结合的粒子从废水中分离，同时也大幅地降低了用于沉淀作用的凝结用高分子的用量。
本发明更包括一用于处理废水的方法。该方法包括：除了CMP废水以外还提供处理BG废水及/或BW废水；将CMP废水加入BG废水以及/或BW废水以定义出一种复合废水；将凝结用带正电荷高分子助凝剂加入该复合废水中以结合复合废水粒子并将复合废水粒子自废水中沉淀析出；在沉淀槽中，凝结用带负电荷高分子聚合物将与形成絮凝物的研浆粒子在该沉降槽中沉淀并使复合废水粒子从废水中分离出来。
附图说明
图1为现有的CMP废水处理系统的示意图。
图2为本发明的废水处理系统的示意图。
符号说明：
10～现有的CMP废水处理系统；12～暂存槽；14～收集槽；16～输送泵；18～输送泵；20～反应槽；22～反应槽输出管线；24～沉降槽；26～流放槽；28～沉降槽输出管线；30～流放管线；32～输送泵；34～回收水槽；
40～本发明的废水处理系统；42～暂存槽；42a～输出管线；43～CMP废水；44～输送泵；46～背面研磨废水暂存槽；46a～输出管线；47～背面研磨废水；48～输送泵；50～反洗废水暂存槽；50a～输出管线；51～反洗废水；52～输送泵；54～收集槽；54a～输出管线；56～输送泵；58～反应槽；59～输出管线；60～凝结用高分子助凝剂；62～凝结用高分子聚合物；64～沉降槽；65～抽污泥泵；66～放流槽；66a～输出管线；68～输送泵；70～流放管线；72～回收水储存槽。
具体实施方式
为了让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附图示，作详细说明如下。
本发明揭露一种新颖且改进的系统用于处理CMP制程所产生的CMP废水。然而，本发明虽然以CMP废水为例，但并不限于CMP废水的处理，本发明是广泛地应用于不同的工业与机械应用所产生的混合废水处理。
本发明考虑一种新颖且改进的废水处理系统，适用于处理CMP制程的废水，但是也可以适用于其它不同工业制程的研磨及/或反洗废水。该废水处理系统包括一收集槽，接收来自CMP废水暂存槽的废水，例如，还可以接收来自背面研磨(BG)废水暂存槽的废水。来自收集槽的废水分配至一反应槽，在反应槽中一凝结用带正电荷高分子助凝剂与研浆粒子结合形成絮凝物。在一或一对沉降槽中，与带负电荷高分子聚合物结合并使沉淀的粒子物理性地从废水中分离出来。从沉降槽流放出来的澄清液可分配到一储存槽，例如一回收水(RCW)槽，用于例如半导体晶片废气洗涤装置的清洁。
在一实施例中，来自BW废水暂存槽的BW废水可连同CMP废水及BG废水分配进入反应槽。凝结用高分子助凝剂在反应槽中与硅及BG废水及/或BW废水中的其它粒子架桥或胶凝，形成吸引絮凝粒子的凝结核(flocculationnucleus)。此成核的现象大幅地加速了沉淀的过程，并同时促进在沉降槽中粒子从废水中分离出来以及大幅地降低用于沉淀的凝结用高分子的用量。
本发明更考虑一种用于处理其它研磨废水的方法。该方法包括：除了CMP废水以外还提供处理BG废水及/或BW废水；将CMP废水加入BG废水以及/或BW废水以定义出一种复合废水；将至少一种凝结用高分子助凝剂及聚合物加入该复合废水中以结合废水粒子并将废水粒子自废水中沉淀析出；将与高分子结合的废水粒子从废水中分离出来。
与现有的废水处理系统与方法相比，本发明的废水处理系统及方法是有效地从废水中移除，而大幅地降低所需的凝结用高分子的用量。例如，将粒子完全沉淀的FSC-835的有效用量已从3600ppm(3.6kg/m3)降低到800ppm(0.8kg/m3)。本发明的系统及方法还可以将原本须分开处理且无法回收再利用的废水(如BG废水及BW废水)，经过混合处理后，达到回收水标准，减少自来水用量及提升制程回收率。
参照图2，本发明的废水处理系统的一实施例以标号40表示。该废水处理系统40包括一CMP废水暂存槽42，接收来自CMP设备(未图示)的CMP废水43。一输出管线42a从CMP废水暂存槽42延伸而出，该输出管线42a上配置有一或一对的输送泵44。一收集槽54连接于输送泵44的输出口。
在半导体的制程中，在对形成于晶片(未图示)前端的个别集成电路芯片实施切割及封装之前，对该晶片的背面做研磨以除去不需要的大量的半导体材料。因此，一背面研磨(backside grind，BG)废水暂存槽46(接收晶片背面研磨制程所产生的背面研磨废水(以下称BG废水47)经由一或一对输送泵48分批多次输送至收集槽54，该等输送泵48是配置于从BG废水暂存槽46延伸而出的输出管线46a上。
一输出管线54a从该收集槽54延伸而出，一或一对输送泵56是配置于该输出管线54a上，该输送泵56是分批多次输送至反应槽58。一反洗废水暂存槽50接收反洗废水(backwash wastewater以下称BW废水)51，一般是在超纯水前处理砂滤塔反洗过程中产生。一输出管线50a从反洗废水暂存槽50延伸而出，一或一对输送泵52配置于该输出管线50a上。该输送泵52是批次式输送至反应槽58。
如下所述，该CMP废水43连同BG废水47以及/或BW废水51分配至反应槽58中，在该反应槽58中一凝结用高分子助凝剂60(例如FSC-835)与废水中的研浆粒子结合并将该粒子沉淀析出该溶液。一输出管线59从反应槽58延伸而出，一第二凝结用高分子聚合物62(例如EA-630)导入输出管线59以结合剩余未与促进凝结高分子助凝剂60结合的研浆粒子。
一或多个沉降槽64是流体性地连接于输出管线59，每一个沉降槽64可搭配一或多个抽污泥泵65，以便于从沉降槽64中清理沉淀物。一放流槽66流体性地连接于沉降槽64。一输出管线66a从该放流槽66延伸而出，一或一对输送泵68配置于该输出管线66a上。一放流管线70从输送泵68的出口延伸而出并将管线中的水释放至一储存槽72，该储存槽72可为一回收水(reusedcity water)槽。
再参照图2，在该废水处理系统40的典型操作是用于处理及从CMP废水43、BG废水47以及BW废水51中除去研浆粒子与其它粒子。因此，该CMP废水43是从一CMP设备(未图示)分配至CMP废水暂存槽42中，该BG废水47是从一背面研磨设备(未图示)分配至该背面研磨废水暂存槽46中，而该BW废水51是从一超纯水前处理砂滤塔反洗(未图示)分配至该反洗废水暂存槽50中。
该废水处理过程在废水经过CMP废水暂存槽42后就开始，而BG废水暂存槽46以及BW废水暂存槽50分别注入所需要量的废水。在该废水处理系统40的典型操作中，CMP废水43/、BG废水47以及BW废水51在每一个暂存槽中分成多数个批次，每一批次具有一选定的流量。每个暂存槽的每一批废水是与其它暂存槽的废水经由废水处理系统40做处理。每一批的CMP废水43、BG废水47以及BW废水51流量大约22000～40000______公升/小时。
一批CMP废水43从CMP废水暂存槽42藉由输送泵44注入收集槽54中。一批BG废水47从BG废水暂存槽46藉由输送泵48注入收集槽54中。一批BW废水51从BW废水暂存槽50藉由输送泵52注入反应槽58中。接着，藉由输送泵56，CMP废水43以及BG废水47从收集槽54注入反应槽58，在反应槽58中，来自BW废水暂存槽50的BW废水51与CMP废水43以及BG废水47混合而形成一种复合的废水。
凝结用高分子助凝剂60加入反应槽58中的复合废水，在反应槽58中，凝结用高分子助凝剂60与二氧化硅研浆粒子结合，使复合废水中的硅粒子及其它粒子从溶液中沉淀析出。该凝结用高分子助凝剂60最好是FSC-835，FSC-835是作为CMP废水中研浆粒子强而有力的助凝剂。熟习此技艺人士所知，由于废水中粒子带负电荷，带正电荷的FSC-835凝结用高分子60与废水粒子桥接或交连，形成微絮状的核体(microfloc nuclei)，此核体吸引其它的废水粒子并形成巨絮状(macrofloc)的凝结构造。此现象大幅地加速了废水粒子在反应槽58中的沉淀过程，又大幅地降低为了有效移除或沉淀废水粒子所需的凝结用分子助凝剂60的用量。
该复合废水从反应槽58经由输出管线59注入沉降槽64。在输出管线59中，将凝结用高分子聚合物62加入复合废水中并与复合废水中形成絮凝物的游散粒子做结合。该凝结用粒子聚合物62最好是EA-630，该EA-630为熟习此技艺人士所知，是作为对CMP废水中二氧化硅研浆粒子做有效地凝结与沉淀的高分子聚合物。
用于有效地结合并沉淀析出复合废水中研浆粒子及其它粒子的凝结用高分子助凝剂60与高分子聚合物62的用量是由废水取样瓶杯试验(wastewatersample jar test)来决定。在该试验中，每种CMP废水43、BG废水47以及BW废水51以不同的比例在一玻璃瓶杯中混合成1000ml。然后将选定用量的凝结用高分子助凝剂60与高分子聚合物62加入该复合废水中，以决定使粒子沉淀并析出废水溶液的最佳剂量。量测该复合水的pH值及浊度以决定有效沉淀所需的最佳pH值。在典型的操作中，加入反应槽废水中的FSC-835的用量大约是___0.8kg/m3___，而加入输出管线59的废水中的EA-630的用量大约是___0.2kg/m3___。对于反应槽58中的复合废水的最佳pH值大约是___6～9___。
在反应槽58与输出管线59中与高分子结合并从复合废水溶液沉淀析出的粒子，在沉降槽64中物理性地与废水分离。此净化后的废水从沉降槽64注入一放流槽66中。此净化后的废水无须再作pH调整即可达到次级用水所要求的pH值。
澄清液从该放流槽66中由输送泵68经由一放流管线70注入一储存槽72中。在储存槽72中净化后的废水可作为次级用水，例如废气洗涤装置的清洁。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求范围所界定者为准。

Claims (9)

1.一种废水处理系统，用于处理废水，包括：
一第一暂存槽，用于收集一第一废水，该第一废水包括化学机械平坦化的废水；
一第二暂存槽，用于收集一第二废水，该第二废水包括背面研磨废水；
一反应槽，与该第一和第二暂存槽做流体性的连接，接受该第一废水与该第二废水而形成一带电的复合废水，并将一凝结用带正电荷的高分子聚合物加入该反应槽中，以沉淀出该第一及第二废水中的粒子；以及
至少一沉降槽，与该反应槽做流体性的连接，并加入一种带负电荷的高分子聚合物，使所述的粒子从沉降槽中分离出来。
2.根据权利要求1所述的废水处理系统，其更包括一收集槽与该第一、第二暂存槽以及该反应槽做流体性的连接，以分别接收来自该第一、第二暂存槽的该第一、第二废水并将该第一、第二废水分配至该反应槽。
3.根据权利要求1所述的废水处理系统，其更包括一放流槽与上述至少一沉降槽做流体性的连接，以接收来自上述至少一沉降槽的废水放流物。
4.根据权利要求3所述的废水处理系统，其更包括一收集槽与该第一、第二暂存槽以及该反应槽做流体性的连接，以分别接收来自该第一、第二暂存槽的该第一、第二废水并将该第一、第二废水分配至该反应槽。
5.根据权利要求1所述的废水处理系统，其更包括一第三暂存槽，接收一第三废水，该第三废水包括反洗废水，其中该反应槽与该第三暂存槽做流体性的连接以接收该第三废水。
6.根据权利要求5所述的废水处理系统，其更包括一收集槽与该第一、第二暂存槽以及该反应槽做流体性的连接，以分别接收来自该第一、第二暂存槽的该第一、第二废水并将该第一、第二废水分配至该反应槽。
7.根据权利要求5所述的废水处理系统，其更包括一放流槽与上述至少一沉降槽做流体性的连接，以接收来自上述至少一沉降槽的废水放流物。
8.根据权利要求7所述的废水处理系统，其更包括一收集槽与该第一、第二暂存槽以及该反应槽做流体性的连接，以分别接收来自该第一、第二暂存槽的该第一、第二废水并将该第一、第二废水分配至该反应槽。
9、一种废水处理方法，用于从废水中移除粒子，包括下列步骤：
提供一第一废水、一第二废水以及一第三废水，该第一废水包括化学机械平坦化的废水，该第二废水包括背面研磨废水，该第三废水包括反洗废水；
混合该第一、第二以及第三废水以形成一带电的复合废水；
将一凝结用高分子聚合物加入该复合废水中，以结合该粒子并将该粒子从该复合废水中沉淀出来；以及将该粒子从该复合废水中分离出来。
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