從廢水到資源

半導體生產對水質的要求極為嚴格。視應用情況而定，矽晶圓在無塵室中需經過數百至上千個製程步驟，並需定期進行清洗。 此製程使用超純水（UPW），其生產過程每生產一公升超純水，約需消耗 1.4 至 1.6 公升自來水。清洗製程可防止納米級結構受到顆粒物及溶解物質的污染。 超純水亦用於蝕刻製程中，用以沖洗掉多餘的蝕刻劑並去除化學殘留物。在此過程中，水會受到酸、鹼、氧化劑、溶劑及顆粒的污染。

根據製程的不同，會使用不同品質的水：超純水（UPW）用於高度敏感的步驟，例如晶圓清洗、蝕刻及光刻步驟後的沖洗；而去離子水（DI）則用於背研磨（減少晶圓厚度）及離子交換樹脂的再生等製程。 來自超純水（UPW）沖洗的製程回用水，經適當後處理後可用於輔助用途，因此超純水通常僅佔晶圓廠總用水量的部分比例（例如 40% 至 60%）。

在製造過程中會產生各種廢水流，每種廢水流皆直接源自相應的製程步驟。 在光刻製程中，含有光阻劑與顯影液的廢水是主要來源，導致有機負荷增加。清洗製程則會產生高濃度酸鹼廢水，例如硫酸、過氧化氫或氫氧化銨，並混有異丙醇（IPA）或二甲基亞砜（DMSO）等溶劑。 在化學機械拋光（CMP）過程中，主要產生富含來自二氧化矽（SiO₂）、二氧化鎢（WO₂）或氧化鋁（Al₂O₃）懸浮液中顆粒的廢水，以及用來降低固體沉澱傾向的穩定劑。 濕式蝕刻製程會產生高酸性的廢水，其中含有來自氟化氫（HF）或緩衝氟化氫溶液（BOE）的氟化物，以及其他礦物酸，例如鹽酸（HCl）或硝酸（HNO₃），這些通常是設計時的主要考量因素。

在潔淨室（subfab）正下方的公用設施區進行廢氣處理時，會產生額外的廢水流。 在那裡的燃燒/水洗式處理系統中，製程氣體會轉化為水相，並以氟、磷、氯或硫化合物的酸類形式排出，同時伴隨固體顆粒（例如來自矽和鎵）或溶解的有機物質。 諸如背研磨等機械製程也會產生含有二氧化矽、鍺或氧化鎢等顆粒的廢水。超純水系統產生的沖洗水、濃縮液和再生液中，雖然僅含有少量顆粒，但含有溶解鹽類及檸檬酸等有機添加劑。 此外，冷卻塔產生的脫鹽水主要含有無機鹽及腐蝕抑制劑（如唑類）。總體而言，這類廢水種類複雜且高度異質，需要對各廢水流進行分流收集與差異化處理。

含有氟化物的廢水會透過獨立管線進行處理。此階段的目的是可靠地使溶解的氟化物沉澱並予以去除。

首先，加入鈣以使氟化物以微溶的氟化鈣（CaF₂）形式沉澱。加入氫氧化鈉可將沉澱反應的pH值調整至最佳範圍。

接著進行凝結步驟，例如使用氯化鐵（FeCl₃），此舉會使細微粒子失去穩定性並促使它們聚集成團。隨後透過聚合物進行絮凝，可形成較大且易於沉澱的絮凝體。

固液分離在片式沉澱池中進行，該沉澱池憑藉其龐大的有效沉澱表面積，既能實現整合式的設計，又能維持高分離效率。澄清後的清水被送往後續的中和階段，而產生的污泥則被收集至儲存槽中，經濃縮處理後運往場外處置。

來自切割和拋光製程的廢水也會被引導至一條獨立的處理管線。這類廢水主要含有細微分散的二氧化矽（SiO₂）和鋁顆粒，若無化學輔助，這些顆粒無法沉澱。

處理過程透過凝結方式進行，例如使用氯化鐵（FeCl₃），藉此中和顆粒的表面電荷，使其聚集成絮凝體。此外，還會添加氫氧化鈉（NaOH）以將 pH 值調整至絮凝的最佳範圍。 隨後的聚合物絮凝會形成穩定的絮凝體，這些絮凝體可在斜板式澄清池中有效分離。產生的污泥會暫時儲存於獨立的槽中，經脫水處理後，再運往場外處置。

來自氟化物及矽處理製程處理的廢水匯集到多級中和系統。生產過程中產生的其他酸性及鹼性廢水，亦會併入此處理流程中。

根據需要，透過添加氫氧化鈉（NaOH）來中和酸性廢水，並添加鹽酸（HCl）來降低過高的 pH 值，以調節 pH 值。多階段設計不僅能實現高控制精度，還能補償進水流成分與流量的波動。

為確保廠區運作穩定並符合排放條件，相關參數會持續進行監測。重點在於：

• pH 值，

• 總懸浮固體（TSS）的濃度，

• 氟化物濃度。

這些參數既用於製程控制，也用於證明符合法規要求。

水循環利用的目標在於減少淡水取水量、將排放量降至最低，並實現水循環系統。實施水循環利用的原因包括：在缺水地區減少對外部水源的依賴；透過重複利用輕度污染的水來節省成本；以及透過現場處理來控制淡水水質。關鍵的第一步是確定目標水質：是直接循環利用到超純水（UPW）系統的進水中，還是進行處理以生產再生水（RCW）用於對水質要求不高的應用。再生水的水質通常較容易達到，適用於廢氣減量、冷卻系統或某些公用工程製程等應用。

許多沖洗過程產生的污染物含量極低，因此其廢水經過適當處理後可直接作為再生水重複利用。通常，處理首先去除顆粒物，例如透過超濾（UF），可能還需要進行混凝和沈澱，然後進行逆滲透（RO）以減少溶解物質。水中含有的氧化劑，如過氧化氫，會被催化降解或再利用，例如在基於紫外線的先進氧化製程（AOP）中。

大多數廢水首先會經過中和處理，而受氫氟酸、固體或銨離子污染的廢水流則會分別進行預處理，以針對性地處理關鍵成分。

超純水（UPW）系統具有極高的節能潛力，因為其循環流量巨大：諸如雙級逆滲透或沖洗水回收等措施被認為是「唾手可得」的，投入相對較少，效果顯著。同樣，這裡也區分了集中式節能處理（EOP）理念和分散式循環。在節能處理系統中，可以區分最小液體排放（MLD）和零液體排放（ZLD），其中零液體排放並循環回超純水進水代表了最高水平的回收利用，但這也伴隨著高昂的投資和運營成本。分散式方法直接在源頭（POU）處理不同的廢水，例如減排廢水或回磨廢水，從而能夠以更高的純度或濃度回收有價值的物質。

用於大規模或完全回收水流（尤其是零液體排放 (ZLD)）的系統對空間、能源供應和公用設施基礎設施提出了很高的要求。此類系統需要大型設備、蒸發級和濃縮裝置，這通常限制了其在新建設項目（greenfield）中的應用。在綠地專案中，整個工廠基礎設施可以從一開始就進行設計，以滿足額外的能源和空間需求。另一方面，由於空間有限、現有管道結構以及能源或冷卻能力不足，對現有工廠進行改造（brownfield）通常需要付出不成比例的巨大努力。

末端回收 (EOP) 概念並非基於 ZLD 原理，因此具有更大的靈活性。根據集中中和之前上游預處理的質量，這些方法也可以改造到現有工廠。通常，回收率可達到 40% 至 70% 左右。排放到市政廢水處理廠的物質負荷保持不變，而流量則顯著降低。這樣一來，無論是在淡水用量或廢水用量方面，都能達到可觀的節省。

更為模組化的則是「使用端 POU」或「bay」解決方案——也就是佔地小、採分散式處理的概念——這類方案特別適合既有廠區環境，因為無需進行重大結構改動即可整合。 僅有明確界定的製程線會受到影響；雖然集中式系統在每立方公尺處理水所佔用的空間及能源消耗方面更為高效，但需具備相應的空間與基礎設施條件。分散式解決方案能更精準且高效地處理水質，因為此時水體尚未受到異質性污染物的污染。

除了選用合適的製程外，自動化、線上分析以及靈活的運作模式，對於實現穩定且資源高效的運作至關重要。現代化的監控概念能持續記錄品質參數，並能動態適應產能與產品的波動。這也包含潔淨室內的製程系統與Subfab下游系統之間的資料交換，並由數位平台和網路化控制解決方案提供支援。

雖然如上所述，集中式廢水處理廠能確保可靠地符合排放限值，但在產量不斷增加、製程化學品日益複雜，以及永續發展要求日益嚴格的背景下，此類設施正逐漸達到其經濟與環境上的極限。 因此，特別是在用水量極高的半導體工廠中，關注焦點正逐漸轉向一種新方法：不再僅在製程鏈的末端處理廢水，而是針對廢水產生源頭進行減量或預處理。

這項技術的關鍵應用領域之一，是所謂的 Subfab 中的廢氣處理系統。這些系統用於淨化與製程相關的排氣流，其中氣態污染物會被燃燒，並轉移至洗滌液中。 此過程中產生的廢水通常含有高濃度的特定物質，例如顆粒物（氧化物）、氟化物、酸或鹼。 與半導體廠房相比，此類廢氣處理系統產生的廢水量較低。然而，半導體廠房內的廢氣處理裝置數量可能多達數百甚至數千個，因此佔廠房總廢水量的 25%。 「使用端處理」的概念旨在直接在源頭處理這些高污染的廢水，並在理想情況下，還能將處理後的廢水送回廢氣處理系統中。

此舉不僅能將廢氣處理所需的淡水用量降至最低，同時也能減輕半導體廠中央廢水處理系統的液壓負荷。廢水的成分會因廢氣處理系統及上游製程設備的不同而有所差異。 在Scrubber中，主要發現的污染物包括異丙醇、氟化氫、鹽酸、溶解鹽類及氨等。 在燃燒/水洗式處理系統中，廢水基質通常由多種成分混合而成，其中包括含有氟、砷、磷、硼的溶解鹽以及顆粒物等。另一方面，在粉塵去除系統（顆粒分離器）中，廢水則含有大量顆粒物，也可能含有低濃度的鹽類。

最簡單的廢水處理方法，是在考量其他廢水參數的同時，針對性地去除特定顆粒物。經處理後的廢水隨後可回流至廢氣處理系統——直到循環系統中的溶解物質累積至一定水平為止。 一旦達到限值，必須更換循環水以避免製程中斷。透過將處理後的廢水循環利用至此限值，最高可節省 90% 的用水量。水循環中的損失則以新鮮水來彌補。此舉既能稀釋水中的溶解物質，同時也能提高水的循環利用率。