TWI757641B - 半導體級氨水及硫酸回收循環製造方法 - Google Patents

Abstract

一種半導體級氨水及硫酸回收循環方法，係將半導體工業產生之大量廢酸液及硫酸銨回收處理導入一混合爐加熱，以產生混合氣體及混合液體，再製得高純度氨水及高純度硫酸，供半導體工業使用。該混合氣體包括氨氣及水氣經純化後，產生高濃度之純氨氣，再用超純水吸收以產生一半導體級氨水。而混合液體則包括廢硫酸及水，導入一分解爐產生SO₂氣體；通過一含有催化劑之反應器，後經一連串有效反應處理，以產生無金屬之高純度SO₃氣體，再加入一惰性氣體將SO₃氣體稀釋，並與高純度硫酸混合，過濾除去其固體雜質，即得一半導體級硫酸。

Description

半導體級氨水及硫酸回收循環製造方法

本發明揭露一種半導體級氨水及硫酸回收循環製造方法，將半導體工業之廢酸液及硫酸銨，回收並重新製成可使用之半導體級氨水及半導體級硫酸之製程。

硫酸(H₂SO₄)，係為一種具有高腐蝕性的強無機酸，對金屬、生物組織及岩石等物質具有腐蝕性。硫酸是工業上一種重要的化學品，它用途十分廣泛，如製造肥料、非鹼性清潔劑、護膚品及油漆添加劑與炸藥等。

硫酸之製造為，先於空氣中燃燒硫磺產生二氧化硫(SO₂)氣體，經過純化和除去雜質後，接著在催化劑五氧化二釩(V₂O₅)的作用下，二氧化硫被氧化為三氧化硫(SO₃)，之後再用濃硫酸吸收三氧化硫，形成發煙硫酸(H₂S₂O₇，亦寫作H₂SO₄‧SO₃)，最後把發煙硫酸以水稀釋成濃硫酸。

氨氣(NH₃)，係為一種是無色氣體，有強烈刺激氣味，極易溶於水。氨是所有食物和肥料的重要成分，也是很多藥物和商業清潔用品直接或間接的組成部分，具有腐蝕性等危險性質。

氨氣之製造為哈伯法：在200大氣壓力和500℃的條件下，以氧化鐵為催化劑，加熱氮氣和氫氣製得。

氨水(NH₃‧H₂O)氨水又稱阿摩尼亞水，是氨氣的水溶液，無色 透明且具有刺激性氣味。

硫酸銨(NH₄)₂SO₄，無色斜方晶體，易溶於水。硫酸銨可以在硫酸中直接通入氨氣製得，硫酸銨水溶液多半會被乾燥成為固體硫酸銨。

現今半導體工業在製程中，如晶圓表面處理，會使用大量半導體級硫酸，因而產生大量的廢硫酸液，然而這些廢硫酸液中仍含有50%以上的硫酸、金屬以及其他雜質，若未經處理而直接排放到環境中，不僅對水、土壤以及環境生態造成危害，也形成資源的浪費。

習知之廢硫酸液之處理方式有以下幾種：1.中和處理：廢硫酸液經酸鹼中和後以廢水形式排出、2.回收再利用：將廢硫酸液濃縮成工業級硫酸使用、3.衍生利用：將廢硫酸液製成肥料或農藥，如硫酸銨與硫酸鋁等。

本研發團隊之前已獲准的發明專利TWI585035B”一種廢酸液循環使用之製程”(以下統稱為前案)，可以將半導體工業產生之大量廢酸液經過回收處理後再製得一半導體級硫酸，而直接有效的循環使用於半導體製程，如晶圓表面之處理，故可降低業界對半導體級硫酸之龐大的需求，以及處理該廢酸液之成本，亦減少因廢酸液排放而對環境造成之危害。

前案的製程雖可以將廢酸轉換為高純度硫酸，惜該製程原料僅限於廢硫酸、硫化氫、含硫之可燃氣體或含硫之廢有機溶劑等，無法使用硫酸銨為原料。且該製程需要將SO₃先轉換為發煙硫酸，再由發煙硫酸產生SO₃，再製得高純度硫酸，在製程設備及能耗上較不理想。

而且前案的製程也無法同時處理半導體工業上晶圓表面處理常用的氨水，其使用後所產生含氨氮的廢水，嚴重影響環境，如水體富營養化，進而造成一系列的嚴重後果，人畜飲水困難甚至中毒事件及魚類死亡。

目前傳統的處理方式是以硫酸和氨水反應生成硫酸銨，雖可降低廢水之氨氮濃度，但產生之硫酸銨則有去化問題。由工業含氨廢水所製造出的硫酸銨偏酸性，若長期作為氮肥使用，會破壞土壤的生產力。此外，部分國家，如台灣，的法規規定工業廢棄物不得農用，因此將工業廢水所製造出的硫酸銨作為氮肥使用並不是一個好的資源再利用方式。

另外，常見習知由硫酸銨製得氨氣的方法(例如專利號為US.3862247的美國專利)乃透過加熱至300℃至450℃之熱分解產生氨氣及硫酸氫銨，缺點為氨氣的回收率偏低(<50%)。或經由觸媒，在400℃將硫酸氫銨分解為氨氣及硫酸(例如專利號為US.4081515的美國專利)。專利號為US4490347的美國專利揭露由硫酸氫銨和硫酸混合物製得發煙硫酸，但無法得到為氨氣及硫酸。專利號為CA2461683C的加拿大專利揭露由固態硫酸銨和濃硫酸在235℃至285℃加熱下製得氨氣和濃硫酸，以上之製程皆利用高成本硫酸銨及濃硫酸做為原料，且均無法解決半導體低濃度廢硫酸及硫酸銨之去化問題。

本發明的主要目的，在提供一種半導體級氨水及硫酸回收循環製造方法，其所建構的回收循環系統，具有一前段製程、一中段製程、一第一分流段製程、一第二分流段製程及一後段製程，通過該回收循環系統將半導體工業產生的大量一廢酸液及硫酸銨經過回收處理後再製得一高純度氨水及高純度硫酸，供半導體工業使用。

該廢酸液係選自廢硫酸、含硫之可燃氣體或含硫之廢有機溶劑等，硫酸銨係選自半導體業者產生之廢硫酸銨、硫酸氫銨溶液或固體硫酸銨及硫酸氫銨。

為達上述之目的，其製造方法步驟包括：該前段工藝，首先，將該廢酸液及廢硫酸銨導入一混合槽形成混合液，將該混合液加熱，產生含氨氣的混合氣體及廢硫酸，該混合氣體導入回收氨氣的純化器，產生無金屬的高純度氨氣；接著使用超純水吸收此無金屬的高純度氨氣產生半導體級氨水，供半導體業使用；該中段工藝，將前段工藝所剩的廢酸液及廢硫酸混合的廢硫酸液導入一分解爐中，將該廢硫酸液加熱，產生SO₂氣體、氧氣及水蒸氣，再將SO₂氣體降溫產生純SO₂氣體；將純SO₂氣體通過一轉換塔，該轉換塔中填有一催化劑，以將純SO₂氣體轉換成SO₃氣體；該第一分流段工藝，將中段工藝的該SO₃氣體導入一純化器以產生高純度SO₃氣體；該第二分流段工藝，將中段工藝的SO₃氣體導入一吸收塔中，該SO₃氣體會被該吸收塔中所具有的硫酸吸收，產生一發煙硫酸；將該發煙硫酸導入具有一除霧器的一薄膜蒸餾器中，利用薄膜蒸餾法再次產生高純度SO₃氣體，以及；該後段工藝，再將上述該高純度SO₃氣體導入一濾器中，產生無金屬的高純度SO₃氣體；將此無金屬的高純度SO₃氣體通過一導管導入一反應塔中，被該反應塔中既有的高純度硫酸所吸收，即產生一高純度硫酸，並於該導管中添加一惰性氣體；以及將該高純度硫酸通過一過濾管過濾，即得一半導體級硫酸，再將該半導體級硫酸導入一產物塔中，於該產物塔中透過一超高純度純水調整該半導體 級硫酸之濃度，調整至符合半導體工業製程所需之濃度。

與現有技術相較，本發明可將半導體工業產生的大量廢酸液及硫酸銨經過回收處理後再製得一半導體級氨水及半導體級硫酸，該半導體級氨水及半導體級硫酸可直接循環使用於半導體工藝，如晶圓表面的處理，故可降低業界對半導體級氨水及半導體級硫酸的龐大的需求，以及處理該廢酸液的成本，也減少因廢酸液及硫酸銨排放而對環境造成的危害。

S1至S13:步驟

1:廢酸液

2:廢硫酸銨

3:混合槽

4:混合液

5:混合氣體

6:廢硫酸液

7:純化器

8:高純度氨氣

9:吸收塔

10:超純水

11:半導體級氨水

12:硫磺

13:分解爐

14:含硫混合液

15:純SO₂氣體

16:轉換塔

17:催化劑

18:SO₃氣體

19:純化器

191:過濾膜

20:高純度SO₃氣體

21:吸收塔

22:發煙硫酸

23:薄膜蒸餾器

231:除霧器

24:濾器

25:無金屬的高純度SO₃氣體

26:導管

27:反應塔

28:高純度硫酸

29:惰性氣體

30:過濾管

301:過濾膜

31:產物塔

32:半導體級硫酸

33:控制閥

34:另一控制閥

圖1 係為本發明之方塊流程圖。

圖2 係為本發明之裝置示意圖。

為能對本發明之技術手段及運作過程有更進一步之認識與瞭解，茲舉實施例配合圖式，詳細說明如下。

請參閱第1至2圖所示，本發明提供之一種半導體級氨水及硫酸回收循環製造方法，主要先建構一回收循環系統，使具有一前段製程、一中段製程、一第一分流段製程、一第二分流段製程、及一後段製程，而可將半導體工業產生之大量一廢酸液及硫酸銨經過回收處理後再製得高純度氨水及高純度硫酸，供半導體工業使用。

其中該前段製程對應步驟S1至S4、該中段製程對應步驟S5至S7、該第一分流段製程對應步驟S8、該第二分流段製程對應步驟S9至S10、而該後段製程對應步驟S11至S13，依據上列各製程具體的執行方法步驟包括：前段製程，首先，將該廢酸液1及廢硫酸銨2導入一混合槽3，進 行步驟S1，將兩者混合得一混合液4，接著進行步驟S2，將該混合液4加熱至溫度200℃至300℃之間，此時該混合液4之硫酸銨會生成包括氨氣(NH₃)、水蒸氣(H₂O)等的一混合氣體5及廢硫酸液，再混入既有的廢硫酸液1成為一廢酸液6。此混合氣體5則導入氨氣純化器7，接著進行步驟S3，除去混合氣體5中的水份及固體雜質，以提高氨氣之純度及濃度，產生高純度氨氣8，此高純度氨氣8則送入吸收塔9，接著進行步驟S4，使用超純水10吸收此混合氣體5以產生半導體級氨水11，此半導體級氨水11之重量比為28.0%至30.0%且金屬含量低於或等於0.05ppb，可以供半導體業使用。

中段製程，將該廢酸液6、再與廢酸液1或硫磺12導入一分解爐13得一含硫混合液14；接著進行步驟S5，將此含硫混合液14加熱至溫度600℃至1000℃，其中加熱溫度以600℃至700℃之間為最佳，此時該含硫混合液14會生成SO₂氣體、氧氣(O₂)及水蒸氣(H₂O)等；接著進行步驟S6，將步驟S5所產生之SO₂氣體降溫至250℃至350℃間，並經過一純化過程除去灰燼微粒及微量之SO₃，即得純化之純SO₂氣體15；接著進行步驟S7，將純SO₂氣體15通過一轉換塔16，該轉換塔16中填有一催化劑17，當純SO₂氣體15通過該轉換塔16時會被轉換成SO₃氣體18；第一分流段製程，將步驟S7所產生之SO₃氣體18導入SO₃純化器19，接著進行步驟S8，該純化器19內設有一過濾膜191，除去SO₂氣體及固體雜質，產生高純度SO₃氣體20；第二分流段製程，亦可用將步驟S7所產生之SO₃氣體18導入吸收塔21中(步驟S9)，該SO₃氣體會被該吸收塔21中既有之硫酸吸收，產生一發煙硫酸22(oleum)；接著進行步驟S10，將該發煙硫酸22導入一薄膜蒸餾器23中，利用薄膜蒸餾法於溫度60℃至140℃間再次產生SO₃氣體，透過薄膜蒸餾法可產生高純度 SO₃氣體20；較佳實施，可在中段製程後端設有控制閥33使步驟S7所生成之SO₃氣體18可經由控制閥33控制進入第一分流段製程的純化器19進行步驟S8，或進入第二分流段製程的吸收塔21進行步驟S9。而另一控制閥34連接設於該第一分流段製程、第二分流段製程的後端，使步驟S8或步驟S10所生成之SO₃氣體20可以由控制閥34控制進入以下後段製程的濾器24。

後段製程，接著進行步驟S11，將中段製程等所產生之SO₃氣體20導入一濾器中24，並去除殘餘之液態硫酸及固體雜質，透過此一濾器24可產生無金屬之高純度SO₃氣體25；接著進行步驟S12將該高純度SO₃氣體25透過一導管26導入一反應塔27中，導入該反應塔27中的高純度SO₃氣體25會被該反應塔27中既有之高純度硫酸所吸收，即產生一高純度硫酸28，當高純度SO₃氣體25流經該導管26時，於該導管26中添加1%至50%之一惰性氣體29(步驟S12)，該惰性氣體29則會稀釋SO₃氣體中微量之SO₂氣體，如此可降低SO₂氣體於後續製程中被高純度硫酸溶液吸收之可能性；接著於步驟S13中將該高純度硫酸28通過一過濾管30流入一產物塔31中，該過濾管30內設有一過濾膜301，當該高純度硫酸28通過該過濾膜301導入該產物塔31時，即過濾該高純度硫酸28中殘留之固體雜質，去除雜質之該高純度硫酸28即成為一半導體級硫酸32。

透過上述之製程步驟，可將該廢酸液1及廢硫酸銨2製成半導體級氨水11及半導體級硫酸32，並可重新使用於半導體製程上，如此達到將該半導體級硫酸32循環再使用之目的，而本發明所產生之該半導體級氨水11及半導體級硫酸32之規格詳如附件。

其中該半導體級硫酸32，可再藉由於該產物塔31中添加1%至50% 之一超高純度純水12，調整該半導體級硫酸32之濃度，以符合半導體工業製程之所需。

其中該廢酸液1係選自廢硫酸、含硫之可燃氣體或含硫之廢有機溶劑等。

其中該廢硫酸銨2係選自廢硫酸銨液、廢硫酸氫銨液、乾燥廢硫酸銨、廢硫酸氫銨或工業級硫酸銨及硫酸氫銨等。

其中，前段製程步驟S3係將廢酸液1及廢硫酸銨2其液體產生之氨氣，除去水份及固體雜質，以提高氨氣之純度及濃度。

其中，中段製程的該含硫混合液14係選自廢硫酸、含硫之可燃氣體、含硫之廢有機溶劑或硫磺12等。

其中，步驟S7中所添加之該催化劑17可為五氧化二釩(Vanadium(V)oxide，V₂O₅)。

其中，第一分流段製程的步驟S8係將步驟S7所產生SO₃氣體18導入具有一過濾膜191之純化器19中，藉由薄膜分離，除去殘餘之SO₂氣體及固體雜質，以提高SO₃氣體之純度及濃度，製得高純度SO₃氣體20。該過濾膜191其孔徑需小於1μm，且其材質可為全氟烷氧基乙烯基醚共聚物(PFA)或是氟化聚烯烴(fluorinated polyolefin)等。

其中，第二分流段製程的步驟S10係將步驟S9所產生之該發煙硫酸22導入具有一除霧器231之該薄膜蒸餾器23中，藉由薄膜蒸餾法，在60℃至140℃之溫度下將SO₃氣體從該發煙硫酸22中分離出來，得到高純度SO₃氣體20。

其中，後段製程的步驟S11中再將高純度SO₃氣體20導入該濾器24中，再次除去殘餘之液態及固體雜質。

上述步驟S12中所添加之該惰性氣體29，亦可用高純度的氮氣或空氣取代之。

步驟S13中所產生之該高純度硫酸28，透過該過濾管30導入該產物塔31中，而該過濾管30內所設有之該過濾膜301其孔徑需小於1μm，且其材質可為全氟烷氧基乙烯基醚共聚物(PFA)或是氟化聚烯烴(fluorinated polyolefin)等。

其中，中段製程的步驟S7所產生的SO₃氣體可藉由控制閥33進入不同之純化製程產生高純度SO₃氣體，再進一步製得高純度SO₃氣體20。

本發明的實施例：

首先，將該廢酸液1及廢硫酸銨2導入一混合槽3，在0.1至2大氣壓(atm)之間，將該廢酸混合液4加熱由50℃至300℃，其中混合液4之硫酸銨被分解產生含氨氣之混合氣體5及廢硫酸，再混入既有的廢硫酸液1成為一廢酸液6。將該含氨氣的混合氣體5導入回收氨氣純化器7，透過加熱及冷卻混合液的過程，除去氨氣中的水份及固體雜質，產生一乾燥高純度氨氣8(含水率低於10ppm)，此高純度氨氣8則送入吸收塔9，之後在該吸收塔9中加入超純水10，使用超純水10吸收此乾燥高純度氨氣8以產生重金屬含量小於等於0.05ppb及重量百分濃度為29%的半導體級氨水。

將該廢酸液6、與廢酸液1及硫磺12導入一分解爐13得一含硫混合液14，將此含硫混合液14加熱至溫度600℃至700℃之間，此時該含硫混合液14會生成SO₂氣體、氧氣(O₂)及水蒸氣(H₂O)等；接著將此SO₂氣體降溫至250℃至350℃間，並經過一純化過程除去灰燼微粒及微量之SO₃，即得純化之純SO₂氣體15，將純SO₂氣體15通過一填有V₂O₅催化劑17的轉換塔16，將SO₂氣體15轉換成SO₃氣體18，將此SO₃氣體18導入具有過濾膜191之純化器19，除去SO₂氣體及固體雜質，產 生高純度SO₃氣體20，將此高純度SO₃氣體20與惰性氣體29(N₂)在導管26內混合稀釋後導入一反應塔27中，此稀釋之高純度SO₃氣體20被該反應塔27中既有之高純度硫酸所吸收，即產生一高純度硫酸28，再將該高純度硫酸28過濾並去除其殘留之固體雜質，除去雜質後之該高純度硫酸28即成為一半導體級硫酸32，再將該半導體級硫酸導入一產物塔31中，於該產物塔31中透過一超高純度純水調整該半導體級硫酸之濃度。

本發明利用半導體工業產生之大量廢酸液1及廢硫酸銨2經過回收處理後再製得半導體級氨水11及半導體級硫酸32，如此之製程不僅建立了新的循環經濟模型將該廢酸液1及廢硫酸銨2再生及再利用使得資源可永續利用，也實踐了綠色環保之生產，同時亦創造新的環保產業。

又透過本發明再製得之半導體級氨水11及半導體級硫酸32可直接循環使用於半導體工業製程，除了可降低業界對該半導體級氨水11及半導體級硫酸32之需求以及處理該廢酸液1及廢硫酸銨2之成本，亦可減少因該廢酸液1及廢硫酸銨2排放而對環境造成之危害以及能源之耗損。另本發明透過SO₃純化器19，將SO₃氣體之純度及濃度提高，將習之廢酸循環製程得以以更精簡及節能之製程製得到半導體級硫酸。

上列詳細說明係針對本發明之可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技術精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

S1至S13:步驟

Claims (7)

1. 一種半導體級氨水及硫酸回收循環製造方法，主要先建構一回收循環系統，使具有一前段製程、一中段製程、一第一分流段製程、一第二分流段製程、及一後段製程，而可將半導體工業產生之大量一廢酸液及硫酸銨經過回收處理後再製得高純度氨水及高純度硫酸，供半導體工業使用，具體的執行方法步驟包括：該前段製程，首先，將該廢酸液及廢硫酸銨導入一混合槽，將該廢酸混合液加熱由50℃至300℃，產生含氨氣的混合氣體及廢硫酸，該混合氣體導入回收氨氣的純化器，產生無金屬之高純度氨氣；接著使用超純水吸收此無金屬之高純度氨氣產生半導體級氨水，以供半導體業使用；該中段製程，將前段製程所剩之廢酸液導入一分解爐中，將該廢酸液加熱到600℃至700℃，產生SO₂氣體、氧氣及水蒸氣，再將SO₂氣體降溫到250℃至350℃產生純SO₂氣體；將純SO₂氣體通過一填有V₂O₅催化劑的轉換塔，以將純SO₂氣體轉換成SO₃氣體；該第一分流段製程，將中段製程之該SO₃氣體導入一具有過濾膜之純化器以產生高純度SO₃氣體；該第二分流段製程，將中段製程之SO₃氣體導入一吸收塔中，該SO₃氣體會被該吸收塔中所具有之硫酸，產生一發煙硫酸；將該發煙硫酸導入具有一除霧器之一薄膜蒸餾器中，利用薄膜蒸餾法反應之溫度範圍為60℃至140℃再次產生高純度SO₃氣體，以及；該後段製程，再將上述該高純度SO₃氣體導入一濾器中，產生無金屬之高純度SO₃氣體；將高純度SO₃氣體透過一導管導入一反應塔中，被該反應塔中既有之高 純度硫酸所吸收，即產生一高純度硫酸，並於該導管中添加一惰性氣體；以及將該高純度硫酸通過一過濾管過濾，即得一半導體級硫酸。
2. 如申請專利範圍第1項所述之一種半導體級氨水及硫酸回收循環製造方法，其中該前段製程加熱混合液使得混合氣體的操作壓力在0.1至2大氣壓(atm)之間。
3. 如申請專利範圍第1項所述之一種半導體級氨水及硫酸回收循環製造方法，其中該前段製程的廢酸液係選自廢硫酸、硫酸銨、硫酸氫銨或硫磺。
4. 如申請專利範圍第1項所述之一種半導體級氨水及硫酸回收循環製造方法，其中該前段製程可進一步設一吸收塔中添加70%至99%之一高純度去離子水，以調整該半導體級氨水之濃度，以符合半導體工業製程之所需。
5. 如申請專利範圍第1項所述之一種半導體級氨水及硫酸回收循環製造方法，其中該後段製程可進一步設一產物塔中添加1%至50%之一高純度去離子水，以調整該半導體級硫酸之濃度，以符合半導體工業製程之所需。
6. 如申請專利範圍第1項所述之一種半導體級氨水及硫酸回收循環製造方法，其中該中段製程的後端設有一控制閥，使SO₃氣體可藉由該控制閥進入第一分流段製程或第二分流段製程，以產生高純度SO₃氣體，再進一步製得高純度SO₃氣體，而該第一分流段製程及第二分流段製程後端以另一控制閥相接，使所生成之高純度SO₃氣體可以由該另一控制閥控制進入以下後段製程的濾器中。
7. 如申請專利範圍第1項所述之一種半導體級氨水及硫酸回收循環製造方法，其中該後段製程的過濾管內設有一過濾膜，其孔徑小於1μm。

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