-1-

化學機械研磨廢水處理技術

一、緣 起

現今化學機械研磨（CMP）製程已經廣泛使用於半導體業晶圓

的製造程序，對於晶圓表面全面性平坦化是有效的製程。雖然 CMP

製程是現代半導體業晶圓製造重要的技術，但是 CMP 製程在無塵室

中是一個高污染的製程，因為過程中使用了研磨液（Slurry）。一般

而言，此研磨液主要包含有 5～10％的 30～100 奈米（nm）的微細

研磨粉體（亦稱為砥粒）及其他化學物質。這些化學物質包含：（1）

pH 緩衝劑（例如：KOH、NH4OH、HNO3 或有機酸…等）；（2）

氧化劑（例如：雙氧水、硝酸鐵、碘酸鉀…等）；（3）界面活性劑。

一般而言，界面活性劑的使用可以幫助粉體在水溶液中之懸浮穩定

性，抑制其膠凝或結塊，使晶圓表面的刮傷降至最低、獲得更好的

再現性（Repeatability）及使 CMP 後續的洗淨能力提高。

因此，CMP 廢水包含來自於研磨液、晶圓本身以及 CMP 後續

清洗程序所產生的各種無機及有機污染物質，大部份的無機物質係

以氧化物存在，主要的非溶解性無機物來自研磨液的砥粒，包含

SiO2、Al2O3 及 CeO2，還有一些在研磨時從晶圓本身掉下來的無機

物質（例如：金屬、金屬氧化物及低介電材料等）。溶解性的無機

物質包含溶解性矽酸鹽與氧化劑。CMP 廢水中的有機物包含界面

活性劑、金屬錯合劑以及其他物質。為了移除在晶圓表面的上述物

質，需要使用大量超純水於 CMP 後續清洗程序。

據統計，以一個擁有 20 個 CMP 製程機具的公司而言，每天將

產生 700 m3 的 CMP 廢水。根據文獻的報導，在 1999 年及 2000 年

估計分別有 4.088 x 108 m3 及超過 5.223 x 108 m3 的超純水用於

CMP 製程，此用水佔了整個半導體用水的 40%左右。如此龐大的

CMP 製程用水必定產生大量的 CMP 廢水，此廢水量大且鹼度、總

-2-

固體物及濁度高，因此必須妥善加以處理。

-3-

二、化學機械研磨製程簡介

2.1 化學機械研磨（CMP）技術

CMP（Chemical Mechanical Polishing）是現在唯一能提供超大

型積體電路（VLSI），甚至極大型積體電路（ULSI）製程全面性平

坦化的一種新技術，這項技術來自於 IBM 公司，經其數十年的發

展，已成功地應用在微處理器等產品製程上，因為這項技術極可能

是半導體業者唯一且必須仰賴的平坦化製程，因此，現在全世界（包

括台灣）著名的晶圓廠與研究機構莫不全力開發研究此項技術，以

便維持以後的競爭優勢。這項平坦化技術的原理就是利用類似“磨

刀”這種機械式的原理，配合適當的化學藥劑（Reagent），將晶片

表面高低起伏不一的輪廓一併加以“磨平”的平坦化技術。只要各種

製程的參數控制得宜，CMP 可以提供被研磨表面高達 94%的平坦

度，以利後續的製程操作。

圖 2-1 顯示一個用來進行 CMP 平坦化製程的設備示意圖，基本

上是由一個用來進行晶片研磨的研磨台及一個用來抓住被研磨晶片

的抓具所組成的，其中抓具抓住晶片的背面，然後將晶片的正面壓

在舖有一層研磨墊的研磨台上，以便進行所謂的化學機械研磨。當

CMP 在進行時，研磨台與抓具均將順著一定之方向旋轉，並且在

研磨時，用來幫助 CMP 進行的化學藥劑則沿著一條輸送管持續地

供應到研磨台上。所謂的 CMP 就是利用此化學藥劑所提供之化學

反應，以及晶片在研磨台上所承受的機械研磨，將晶片上面凸出的

介電層（氧化層），漸漸地加以除去的一種平坦化技術，其變化過

程如圖 2-2 所示。

-4-

圖 2-1 CMP 平坦化製程的設備示意圖

圖 2-2 獲致全面性平坦化介電層之示意圖

-5-

2.2 CMP 製程研磨液種類

在 CMP 的製程上所使用的研磨液主要是由呈膠體狀的二氧化

矽或呈分散狀的氧化鋁，以及鹼性的 KOH 或 NH4OH 等溶液混合

而成。CMP 研磨對象不同時，其所需使用的研磨液亦有所差異（例

如：在金屬鎢的 CMP 研磨當中，研磨液的組成將包括一些氧化劑

及有機溶劑等），一般研磨液之種類如表 2-1 所示，主要包含有 5

～10％的 30～100 奈米的微細研磨粉體（亦稱為砥粒），種類有

SiO2、Al2O3、CeO2、W…等，在水溶液中研磨粉體是否會發生凝集

與其等電點有關，上述研磨粉體之等電點其 pH 值分別為 SiO2：

2~3；Al2O3：8~9；CeO2：6.5~7；W：2.0~2.5。

表 2-1 CMP 所用之研磨液分類 研磨液

CMP的研磨對象 研磨粉體 添加劑

製造商

SiO2 (層間絕緣膜，Inter Level Dielectric, ILD)

SiO2 CeO2 ZrO2

γ-Al2O3 Mn2O3

KOH、NH4OH - -

(有機分散劑)

Cabot, Rodel, Fujimi Rodel, 昭和電工三井金屬工業 日產化學 住友化學工業

W (plug)

Al2O3

Mn2O3 SiO2

H2O2、Fe(NO3) 3、KIO3

H2O2

Cabot, Rodel, 住友化學工業 Fujimi 三井金屬工業

Al (wire/plug)

SiO2 H2O2、Fe(NO3) 3、

KIO3

Cabot, Rodel, Fujimi

Metal

Cu (wire/plug)

Al2O3 H2O2、Fe(NO3) 3、

KIO3

Cabot, Rodel, 住友化學工業 Fujimi

-6-

一般而言，Silica（SiO2）系列的研磨液廣泛被應用於二氧化矽

層間絕緣膜之研磨，研磨液 pH 值大約為 10~11 左右；而 Al2O3 系

列的研磨液則被應用於金屬層研磨，此研磨液之 pH 值約為 2~4 之

間，如此，研磨液才能維持懸浮穩定性。通常，研磨液中其他的化

學藥劑，包括：（1）pH 緩衝劑（例如：KOH、NH4OH 或有機酸

等），因研磨液的界達電位（Zeta Potential）小的時候，粒子間的

電性排斥力小，容易產生砥粒凝集的現象，所以藉由 pH 緩衝劑調

整研磨液的 pH 值，使研磨液中的砥粒具適當之界達電位而維持良

好的懸浮穩定性；（2）氧化劑（例如：雙氧水、硝酸鐵、碘酸鉀等），

其 pH 值大約為 2~4 之間，適用於金屬層的研磨，以便將金屬表面

氧化然後進行研磨；（3）界面活性劑，亦是幫助粉體在水溶液中之

懸浮穩定性，抑制其膠凝或結塊，使晶圓表面的刮傷降至最低、獲

得更好的再現性及使 CMP 後續的洗淨能力提高。

然而，一般建議選用只含 NH4OH 的研磨液，除可避免鉀離子

污染外，更有利於後續之微粒清洗，因為 KOH 溶液之離子強度較

強，會使粉體電雙層斥力範圍縮減，促使其吸附於晶圓表面，因而

增加後續的清洗步驟（例如：氫氟酸清洗），始能去除鉀等鹼金屬

污染，同時亦會增加化學藥劑使用上的負擔。

文獻提及目前國內半導體業晶圓廠採用之化學機械研磨液及後

續清洗藥劑主要為：

(1)氧化層研磨液：一般採用 Cabot 公司出產之 SS-25 型研磨液，由

該液的物質安全資料表可知主要物質 SiO2 的含量為 25%，KOH

的含量

-7-

分廠商使用，屬氧化層研磨液，常採用 SC-720 型。

(4)其他：銅研磨液，屬金屬層研磨液，目前逐漸被使用於銅製程 CMP

程序；CMP 後清洗（Post CMP）溶液，清洗程序常使用 2% NH4OH

及 1% HF。

2.3 CMP 後清洗程序

晶圓經過研磨之後，晶圓表面勢必殘留大量研磨粉體與金屬離

子，因此，CMP 製程之後，緊接著進行後續清洗程序，其目的是

爲了去除這些微粒、金屬離子、有機物和修補晶圓表面缺陷，微粒

若不加以去除的話，會使晶圓之氧化層易崩潰，多晶矽和金屬間會

造成接面漏電或橋接，降低晶圓良率與可靠度。在超大型積體電路

的洗淨目標為 8 吋晶圓上大於 0.12 µm 的顆粒要少於 100 顆，鹼

金屬離子（Na 與 K）的濃度要小於 5×1011 atoms/cm2。典型以氨水

及檸檬酸等進行 CMP 後清洗程序，再以全反射 X 射線螢光（TXRF）

分析金屬離子的殘留量的結果，如表 2-2 所示。

表 2-2 以氨水及檸檬酸進行 CMP 後清洗程序結束後金屬離

子殘留量之 TXRF 檢測結果

單位：1010 atoms/cm2

K Ca Cr Mn Fe Ni Cu Zn

熱氧化物

-8-

以下便針對 CMP 後續清洗技術之清洗原理、清洗液的種類，

以及清洗技術與方法做簡要說明。

(一)清洗原理

如圖 2-3 所示，(a)為物理性剝離，使用刷除或超音波方式；

(b)為晶圓表面蝕刻，使用 APM（NH4OH：H2O2：H2O）和稀釋

的氫氟酸（DHF, HF＋H2O）溶液；(c)為晶圓表面污染物質的溶

解，使用 SPM（H2SO4：H2O2：H2O）、HPM（HCl：H2O2：

H2O）以及 DHF 溶液。而超音波的洗淨原理是利用超音波的振

動頻率，在添加純水、鹼性清洗液（例如：0.5~4.0%之 NH4OH

水溶液）之下產生衝擊力，迫使微粒能輕易離開晶圓的表面。

另外，若可以讓微粒與晶圓表面之間產生電性排斥力，則可讓

微粒容易離開晶圓表面而達到清洗之目的，一般而言，在鹼性

水溶液中，被清洗的物質大部分具有負的界達電位，所以清洗

液多用 KOH 及 NH4OH 即為此道理，另外，若使用四甲基氫

氧化銨於 NH4OH 溶液中，配製成 NH4OH：TMAH＝100：1 的

溶液，則清洗效果更好。

圖 2-3 CMP 後清洗程序之晶圓洗淨原理

(二)清洗液種類

0.5-4.0%NH4OH 水溶液為主要微粒去除的清洗液。在此氨

水中清洗可以降低晶圓上之微粒總數（粒徑大於 0.2 微米）少

-9-

於 100 顆，這比在純水中清洗為優，因粉體在靜電引力吸附累

積之下，晶圓上微粒總數可增至 5,000 顆以上。另外值得一提

的是，晶圓表面含 KOH 之鹼性研磨廢液中 SiO2 微粒的去除會

比只含 NH4OH 的研磨廢液更為困難。原因是 KOH 為強鹼，

而 NH4OH 則為弱鹼，即含 KOH 研磨廢液之離子強度將遠大

於含 NH4OH 的研磨廢液，其結果將導致微粒的電雙層斥力作

用範圍縮減，壓縮電雙層的結果使微粒以凡得瓦爾力吸附於晶

圓表面。故 CMP 製程如果選用只含 NH4OH 研磨液的話，除

了可以避免鉀離子污染外，亦有利於後續微粒之清洗。

相較於 NH4OH 水溶液對晶圓上微粒的去除效果，電解還

原水能更有效地去除晶圓表面上的微粒。其製法為將鉑電極導

入純水中進行電解反應，陰極上進行水的還原反應，而產生 OH

－離子，收集此陰極水溶液進行晶圓表面清洗，去除微粒的能

力較一般鹼性水溶液為佳，文獻的研究證實使用電解還原水清

洗晶圓的結果，其晶圓表面微粒的殘留數（約 50 個/wafer）為

使用一般純水（約 150 個/wafer）的三分之一；文獻亦指出使

用超純水製成的電解還原水於後續 CMP 的清洗製程上，並與

傳統製程使用稀釋的氨水或氫氟酸比較清洗效果，證實電解還

原水使用的結果能比氨水更有效去除晶圓上的微粒。

一般研磨後晶圓上會殘留研磨液中所含之鹼金屬離子（例

如：K 及 Na），與過渡金屬離子（例如：Ni、Fe、Cu、Zn 等）。

這些金屬離子除了吸附在晶圓表面外，亦可能因研磨之應力及

表面損傷，擴散至 SiO2 層內。若只以鹼性氨水溶液清洗去除微

粒的話，卻會造成金屬離子形成氫氧化物沈積，而這些氫氧化

物大都包含於晶圓表面之 SiO2 層內。故在氨水清洗後，通常會

伴隨著稀氫氟酸水溶液的清洗，藉由輕微蝕刻掉 SiO2 表層，可

以有效去除這些金屬離子的污染。但此氫氟酸水溶液易造成金

-10-

屬腐蝕，尤其是對鋁及銅金屬導線，故必須嚴格控制氫氟酸濃

度(

-11-

表 2-3 各種待研磨層所使用之後清洗方法

待研磨層 研磨材料 化學藥劑 微粒的去除 金屬離子的去除

SiO2 Silica, SiO2 KOH 純水＋刷磨 稀氫氟酸

Silica, SiO2 NH4OH 純水＋刷磨 不要

Alumina, Al2O3 Fe(NO3)2

Alumina, Al2O3 H2O2 稀氨水＋刷磨W

Silica, SiO2 H2O2 純水＋刷磨

稀氫氟酸、有機

酸（檸檬酸、草

酸）

Al Alumina, Al2O3 H2O2 純水＋刷磨；

電解氧化水＋

刷磨 有機酸

Cu Alumina, Al2O3 氧化劑 純水＋刷磨；

電解氧化水＋

刷磨

稀氫氟酸、有機

酸

-12-

三、CMP 製程廢水特性及其處理現況

3.1 廢水來源與特性

半導體晶圓製造廠其積體電路製程中所伴隨產生的大量 CMP

廢水，其廢水性質隨著研磨對象、研磨液、清洗技術之不同而有所

不同，CMP 製程廢水主要可分為研磨廢液及研磨後清洗廢水，前

者是研磨過程中所導入之研磨液及晶圓研磨墊所產生之研磨屑，後

者則為清洗研磨後晶圓之用水，以大量超純水為主，其研磨廢液及

後續清洗廢水產生之流程如圖 3.1 所示。

CMP 機台 CMP 後續洗淨機台

終點

檢測

研磨液

研磨液混合及分布系統

清洗液

清洗液混合及分布系統

晶圓進入

晶圓送出

濕式傳遞

研磨廢液 CMP 後續清洗廢水

薄膜厚度量測

塵粒量測

進入下個製程

圖 3-1 CMP 製程之流程

3.2 國內半導體工廠 CMP 廢水處理現況

如前述，半導體工廠由於在製程中之需要用水量遠高於任何生

產類型之工廠，因此國內半導體工廠於設廠之初，即被嚴格規範須

-13-

對其所產生之廢水量進行高比率的回收再用，甚且，廢水的回收再

利用，即使不被規範，國內近年來每逢夏季即均因乾旱而缺水，在

水源無法獲得瘸確保下，設法投資用水回收設備以高比率回用製程

所排放之廢水，已成為半導體工廠近 3～4 年來，對廠內可設法回用

之廢水均已規劃進行回收再利用應不為過。

然而，在提高用水回收率之努力上，半導體工廠也遇到了瓶頸

－半導體製程中，部份製程所產出之廢水回收難度高或不具回收利

益，CMP 廢水即為其一。CMP 廢水產出量僅約為整個半導體工廠

廢水總產出量之 15－20%(或為 10～15%)，然而，CMP 廢水因其中

所含懸浮微粒量大，粒徑極小、廢水混濁度相當高，致至欲藉傳統

化學混凝沉澱（或混凝浮除）法妥善處理，使達〝澄清〞即非易事，

若要進一步回用至製程，恐將是難上加難，再則除非使用添加 PAC，

polymer 之化學混凝處理法後可使水質澄清到結合 UF 設備即可回用

之程度，半導體工廠還是諸多顧慮，原因在於所添加之 PAC，polymer

是否會因殘留而改變水質特性，進而影響製程品質，類似心理反應

近來已出現在新竹工業區內的半導體工廠。（註：新竹工業區規劃將

污水處理廠處理後的廢水經三級處理後按各工廠納入量再分配絡各

工廠回用）。

總結而言，國內半導體工廠面對 CMP 廢水處理的心態不外將其

與他服廢水合併處理至 COD 可以符合納管或排放限值即可，至於要

說回用 CMP 廢水至製程，歸納半導體工廠的反應如下：(1)不急，

CMP 廢水僅佔整廠廢水量之 10－15﹪，比例不高，加上不易處理，

相形之下，即顯得並非最迫切需要。(2)除非證實可回用至製程，否

則若說僅為了符合回收效率而投入大量金錢，且維護費又高，結果

還是僅能回用作冷卻塔用水，那寧可不頭投資。(3)以物理處理法回

收(回收用途以回用為純水階段最佳)，操作維護容易且投資效益期

限在 2～3 年間。

-14-

3.3 國內學術界對於 CMP 廢水的研究成果摘錄 研究生/ 年代/ 指導教授/ 學校

題目/研究成果摘要

劉訓瑜/ 2000/ 黃志彬/ 交通大學

化學機械研磨廢水混凝沈澱效能之評估/ 以實廠廢水進行實驗，分為金屬層研磨廢液及氧化層研磨廢液

兩種，觀察不同混凝劑（氯化鐵、氯化亞鐵、硫酸亞鐵、多元

氯化鋁及幾丁聚醣）及搭配藥劑（活性白土、聚丙烯醯胺等）

對濁度去除之表現。結果顯示大部分的混凝劑皆可達到90%左右的去除率。

詹耀富/ 2000/ 溫紹炳/ 成功大學

以柱槽溶氣浮選法回收二氧化矽奈米微粒之研究/ 以柱槽浮選方式結合溶氣壓差法處理半導體化學機械研平廢

液之顆粒濃集及分選問題。研究結果發現廢液中之固粒含量可

降低至0.02%以下，濁度在8NTU以下，回收率89%，銅離子濃度並符合放流水標準。

羅金山/ 2001/ 駱尚廉/ 台灣大學

半導體廠化學機械研磨(CMP)廢水回收再利用可行性評估/ 利用一套小型模廠-陶瓷膜微過濾系統，結合化學混凝前處理，再搭配後段活性碳吸附及逆滲透系統組合來進行CMP實廠廢水處理，經模廠試驗處理後之水質可達回收再利用之水質

標準，此模廠操作條件可做為擴大實廠之設計基準。

吳宏基/ 2001/ 黃志彬/ 交通大學

以超過濾薄膜結合混凝前處理回收半導體工業之研磨廢水/ 以超過濾薄膜結合混凝前處理回收半導體工業之研磨廢水，使

用的混凝劑為廢水處理常用之氯化鐵及多元氯化鋁，結果顯示

對於金屬層及氧化層兩種研磨廢水，皆以多元氯化鋁較佳。此

外，將超過濾薄膜結合最適之混凝條件進行連續流測試。結果

顯示，混凝的確可增進濁度、DOC的去除率及減緩質傳係數下降。

涂桂薇/ 2001/ 溫紹炳/ 成功大學

半導體化學機械研磨(CMP)廢液之資源化處理研究/ 使用三種混凝劑（Fe2(SO4)3、CuSO4及Al2(SO4)3）處理CMP廢水，將廢水pH值控制在適當範圍內，在最佳劑量下，三種混凝劑皆對廢水濁度的降低有很好效果，濁度可降至2.9NTU，降低率可達約95%以上，CuSO4對濁度的降低有頗佳的效果，但殘留在上澄液中的金屬離子(Cu2+)濃度偏高。

-15-

國內學術界對於 CMP 廢水的研究成果摘錄(續一) 研究生/ 年代/ 指導教授/ 學校

題目/研究成果摘要

蔡秀惠 2001/ 楊金鐘/ 中山大學

利用外加電場掃流微過濾程序處理化學機械研磨廢水之研究/探討電場強度、過濾壓差、掃流速度及濾膜孔徑等操作因子對

於濾速與濾液品質的影響。結果顯示在高電場強度、低掃流速

度、高過濾壓差等操作條件下，過濾成效最佳。此外，濾液品

質亦可符合部分自來水水質標準，甚至可供更高階之回收水再

利用。

范文彬/ 2001/ 高思懷/ 淡江大學

利用電聚浮除法處理半導體業CMP廢水之研究/ 實驗結果得知，混凝處理成效較差；電聚浮除法處理效果最

好，在實廠廢水處理時，濁度去除率可達99%以上，溶解性固體物去除率達90%以上，但此法耗電量較高。前加混凝劑電聚浮除處理效果佳，耗電量也較低，但污泥量偏高為缺點。

楊宗儒/ 2001/ 林勝雄/ 元智大學

半導體化學機械研磨廢水之處理與回收/ 以各類混凝劑（硫酸鋁、三氯化鐵、多元氯化鋁）進行化學混

凝，由結果可知，各種混凝劑加藥量在特定的濃度範圍下，去

除濁度能力都可達到10 NTU以下。另外，採用捲筒式掃流逆滲透模組去除廢水中的COD，從實驗得知驅動壓力的增加不只可使透過量增加，還可讓過濾的效果達到更好。

黃信仁/ 2001/ 劉志成 台灣科技大

學

半導體工廠化學機械研磨廢水之處理研究/ 探討以混凝-絮凝、雙重絮凝及超過濾處理化學機械研磨廢水及回收水之可行性。結果顯示，單以多元氯化鋁及陽離子高分

子當混凝劑可有效地去除濁度，不同混凝劑的種類會影響加藥

濃度的多寡。雙重絮凝產生之膠羽有較佳的沈澱性，可得到較

佳的固液分離。經過混凝前處理後再過濾，可延長薄膜濾速衰

減時間，有效減少薄膜阻塞。

連介宇/ 2001/ 劉志成/ 台灣科技大

學

半導體工廠化學機械研磨廢水以浮除程序處理之研究/ 由分散式空氣浮除法之實驗結果顯示：透過添加陽離子性界面

活性劑及調整酸鹼值，將能得到良好的浮除效果，殘餘的濁度

可達10 NTU以下。在溶解式空氣浮除法方面，添加活化劑僅能改變廢水中微粒的表面特性其對浮除的貢獻有限。浮除法適

用於處理化學機械研磨廢水；處理過後的廢水可迴流至廠區內

水處理系統加以回收再利用。

-16-

國內學術界對於 CMP 廢水的研究成果摘錄(續二) 研究生/ 年代/ 指導教授/ 學校

題目/研究成果摘要

曾國祐/ 2002/ 劉志成/ 台灣科技大

學

以超過濾處理半導體廠研磨廢水之研究/ 利用兩種不同截留分子量（Molecular Weight Cut Off, MWCO）的超過濾濾膜過濾三種廢水，藉由改變操作壓力、掃流速度，

探討處理情形。結果得知，超過濾對於三種廢水皆能有效地處

理。動態膜超過濾研究中，以晶背研磨廢水形成動態膜後，再

處理化學機械研磨廢水，結果顯示，動態膜形成時間過短會造

成濾液流通量快速下降，過長會使濾液流通量較低，但濾速較

能維持一定。

邱顯盛/ 2002/ 黃志彬/ 交通大學

以電化學法處理化學機械研磨廢水/ 以商業化之氧化矽研磨顆粒作為混凝沈澱改善、電解混凝與電

解層析實驗評估的對象。實驗中發現以誘導電極之電解混凝系

統能將濁度去除率提昇至92.5%，並且有低導電度出流水與相當少量鐵膠羽污泥的優勢。另外也發現到隨著操作電流密度與

停留時間的增加，電解吸附混凝對CMP懸浮顆粒的去除效率越高，且其與法拉第第一定律中總電量有良好之線性關係。

-17-

四、他山之石－日本半導體工廠對含矽廢水 的回收現況

今年 4 月，正當專案執行陷入瓶頸－學術研究成果很多，但國

內半導體工廠因前述分析原因，並沒有實際運用案例可供推廣輔導

之際，力成科技陳副理轉來永東興業林東榮先生轉載翻譯自

NIKKEII BUSINESS 2003 年 12 月 15 日的一篇文章－含矽廢水的回

收一半半導體工廠廢棄物的資源化，文章中所提的技術，據證實已

實地運用於台中三洋電子的製程上，且為配合技術推廣之需，台中

三洋電子也特地製成 2 組 1m3/時之模型機，提供有意願之半導體工

廠進行實廠測試。茲徵得林東榮先生同意，將該設備相關技術資訊

分享予半導體工廠。

含矽廢水的回收

半導體工廠廢棄物的資源化 原載 NIKKEI BUSINESS 2003年12月15日號

在半導體製程中有 80%的矽原料被當做廢水排掉。為了避免這

種浪費，三洋電機開發出『矽的再資源化技術 』，從廢水中過濾得

到的『固狀矽』，回收再賣給鋼鐵廠做為鋼材的填加物。

PC、數位家電心臟的半導體晶片，已成為當今社會活動中『看

不見主導者』的角色，但大家都不知道，其使用的主要原料—矽

(silicon)，卻有 80%被當成廢棄物處理。

三洋電機的子公司—三洋水處理公司(日本國群馬縣大泉町) ，

在 2003 年 11 月開始展開：從半導體工廠的廢水中，完全回收矽原

料的新事業。這個新事業的創造者該公司董事 對比地 元幸 先生

(Mr.Tsuihiji)微笑的說”Sanyo 的矽 100%回收在全世界而言是一個創

舉,超過五年以上的辛苦，如今終於有了成果” 。

-18-

80%的矽原料成為切削廢屑

為何 80%的矽會變”廢棄物”呢?問題出在晶片的製造過程。

半導體晶片是由結晶的矽晶圓(Ingot)切割成細片(晶圓 wafer)，

再刻上回路後切成必要的大小。

在這種製程中是添加純水(不純物為 0 的水) ，經多次反覆的研

削、研磨，因而造成約 80%的矽原料變成碎屑與廢水一起排掉。

通常含有矽的廢水經過過濾器，分離成為純水和矽濃縮液。純

水流回工廠再使用。對矽濃縮液往往會想到利用脫水處理，做資源

再利用而不會將矽濃縮液做為產業廢棄物處理。但事情並非那麼單

純。

濃縮液的回收困難主要原因是矽濃度未達到再資源化的水準之

故。當然能用添加藥品讓濃縮液中的矽沉澱得到更高純度的矽。但

這樣一來，矽會產生化學反應。以致無法經由資源回收再利用。

原任三洋電機 semiconductor company 環境管理部長的對比地先

生回想道:看看能不能找到純水能回收，同時也能將矽回收的方法。

而在 1998 年開始展開『新過濾技術』的研究。對比地先生對傳統的

廢水過濾器的問題點做了徹底的探討。

廢水內所含矽的顆粒直徑平均在 0.2~0.4μm(百萬分之一公

尺)，其中也有小到 0.01μm 的顆粒。一般過濾器的濾膜網孔大小是

配合最小尺寸的顆粒，以高壓方式使廢水通過濾膜，達到過濾的效

果。

可是這種過濾方式容易使顆粒阻塞在濾膜網孔，因而發生濾膜

阻塞的情形。為了防止這種問題，過濾器都設有：在表面施加強力

水流洗淨的功能。但這個強力水流反而造成過濾效率降低，而發生

矽不能充分濃縮的問題。

因水流造成過濾效率降低是由於欲通過濾膜的廢水另有橫向的

-19-

水流切進所致。因而造成實際通過濾膜的水量只剩三分之一。但也

有為了緩和這個現象而增加廢水通過的壓力，這樣卻反而增加膜孔

阻塞的可能性，因而造成惡性循環。孔小的濾膜又施以強力之廢水，

當然是很勉強是一種無理的事。『是否有不違反自然法則、又能使廢

水慢慢的輕輕的通過濾膜的方向呢?』因此對比地先生改變想法，開

始探求與傳統過濾器完全不同的方法。

經過不斷的研究所得到的新設備，是採用膜孔直徑達 0.25μm

的濾膜。如此一來就不需以高壓施力於廢水，廢水就能很容易的通

過濾膜。

可是這樣一來，矽顆粒會全部通過濾膜。故又設計在濾膜上鋪

上矽顆粒、藉以提升過濾性能。這種構造就像以前在水井底部鋪上

小石頭過濾地下水的做法類似。

濾膜上所鋪上的矽顆粒直徑從 5~10μm、逐漸減少成為複數濾

膜層，粒子會層積而到最後一層的粒子間距達到 0.01μm 左右。

鋪上顆粒的濾膜孔係採用彎曲狀。所使用的積層顆粒也不是球

狀而呈細長狀。如此能使顆粒穩定附著於濾膜，使積層發揮更大效

用。另外為了提高過濾性能使用矽顆粒的原因是：矽與矽之間不會

產生化學反應而影響性質。而且矽顆粒層崩潰時，期待廢水中的矽

顆粒具有自我修復的機能。

以吸引方向提高過濾效率

除了在濾網上下了種種功夫之外，廢水通過濾網的方式也由傳

統的壓入方式改為幫浦吸引的方式。廢水若以強壓方式即使抑制所

施加的壓力，濾網上所形成的矽顆粒層也會崩潰。

以較低壓力慢慢吸引廢水的新方式。具有顆粒不至於崩潰、膜

孔也不易阻塞的優點。由於通過濾膜的水流速較慢、濾膜表面的洗

淨工作只需仰賴其所產生的氣泡就已足夠。而且也沒有側面噴水洗

-20-

淨的功能，因而提高了過濾效率。

以濃縮液 1 公升(liter)的矽含量做比較的話，以往的過濾器約含

有 1,000~5,000mg 而新型過濾器所得之矽含量濃度達 2~3 萬 mg。

然而，雖然設備的基本設計已完成。但要成為一台『賣得出去

的設備』。尚有許多課題需要克服。例如 :新設備的廢水流速緩慢，

一片濾膜所處理的水量變小。因此針對這個問題，對比地先生採用:

增加設備的濾膜數、使濾膜的總面積增大為原有的十倍。雖然這樣

會使設備的體積變大，但透過濾膜以外設備的一體化改良，使影響

降低至最小。

三洋電機將對比地先生所開發的過濾設備命名為“ Aqua

closer＂，自 1999 年開始銷售，每台售價約在 2,500 萬日元左右，

截至目前為只累計銷售台數已超過 30 台。

根據三洋水處理公司的資料顯示：以每小時 5m³廢水處理能力

的機種來比較。由於不用幫浦升壓故 Aqua closer 的耗電量比傳統設

備減少 80%。同時膜孔較不易阻塞幾乎不需要更換濾膜。因此更換

濾膜等維修費用也減到以往設備的 30%左右。這些效果使總操作成

本僅需以往設備的五分之一。

三洋水處理公司自 2003 年 11 月開始展開的完全回收事業。對

採用 Aqua closer 設備的客戶，買回可再利用的矽轉賣給鋼鐵廠。

該公司的資源回收事業除了廢水過濾設備的製造銷售外。也同

時開發出『將濃縮液脫水成為固狀矽的設備』。利用這種脫水處理機

所得到的『固狀矽』作為 H 型鋼、棒鋼的添加物，使鋼鐵廠的採購

成本得以下降。

處理設備以卡車到工廠巡迴

三洋水處理公司將脫水處理機裝在卡車上，到客戶的工廠做處

理的巡迴服務。對比地先生強調:以前半導體工廠必須付錢給專業回

-21-

收公司做廢水處理，但現在是廢水可賣給三洋水處理公司。

委託專業回收公司的廢水處理費用是每公斤 30 日元左右，但三

洋水處理公司反而從花錢處理的廢水中『取得固狀矽』以每公斤 2

日元買進。再將固狀矽以每公司數十日元的價格賣給鋼鐵廠。

目前顧客數尚不多，這個新事業尚不能說已經上了軌道。但已

有鋼鐵廠要求三洋水處理公司趕快建立固狀矽的穩定供應體制。酒

井社長對今後的擴大銷售充滿了期待。

目前由濃縮液所得固狀矽，在完全乾燥時的純度約在 95%左

右。對比地先生希望能達到太陽電池的高純度水準。同時也開始研

究固狀矽施以化學處理，取出氫氣做為燃料電池的原料。

Sanyo 這套設備在多年來未能對矽做有效利用的半導體產業確

實是投下一顆石頭，今後會普及到什麼程度呢?擲得繼續觀察。在掌

握產業的體質變化而言，這種新設備確實是一項很有趣的新嘗試。

註：本文中第二章有關化學機械研磨製程及第三章有關國內學術界

對於 CMP 廢水的研究成果等章節係取材自國立中山大學楊叢

印先生民國 92 年 8 月之博士畢業論文，指導教授為楊金鐘博士。