水資源回收再利用之現況

所謂半導體（semiconductor）是一種介於導體（conductor）與絕緣體

（insulator）之間的一種材料，而半導體、導體和絕緣體之間最大的不同就是半 導體中有兩種帶電載子同時存在來傳導電流，電子（electron）帶負電，電洞（hole）

帶正電，而半導體的特性決定於摻雜（doping）離子種類來決定（n 型－磷，p 型

－硼）。材料導電之性質以導電性（conductivity）來定義，導電性愈高是良導體，

導電能力也可以用導電能力來判斷，也就是阻抗係數的倒數來量測，材料的阻抗係 數愈小導電能力愈強。IC（Intergrated circuit）積體電路就是將許許多多的二 極體或是電晶體整合於一個非常小的晶片（chip）上，其具有體積小、功能強、變 化性大等特性，其應用範圍不論是國防、交通、通訊、電腦、家電甚至是隨身物品，

其功能主要是控制、運算和記憶等，是電子資訊產品最重要之零組件。

IC 的製造通常是以矽（silicon）和鍺（germanium）為底材，從材料準備、長 晶及晶圓製造、切割測試封裝後，再將已設計完成的電路經由光學顯影（Photo）、 快速高溫製程、化學氣相沉積（CVD）、離子植入（Implanter）、蝕刻（Etching）、 化學機械研磨（CMP）、多層金屬連線等製程，主要流程^【1】如圖 2-1-1。而在半導體 之製程中如：濕蝕刻、化學機械研磨皆使用到水資源來作為製程中之必須過程之 一，也由於半導體由毫微米（um）進展到奈米（nm），這些製程與研發均須在潔淨 室中進行，導致潔淨室等級要求愈來愈嚴格其各項規定^【6】，如表 2-1-1 所示。

表 2-1-1 半導體潔淨室等級區分

圖 2-1-1 半導體製程主要流程圖

晶片

晶片清洗

閘層氧化

光阻覆蓋

曝光

氮化矽

/ 氧化膜

氧化膜 複晶矽沉積 矽化鎢沉積

T E O S 沉積

硼酸氧化膜 金屬膜 護層沉積

化學蝕刻 電漿蝕刻 離子植入

光阻去除

矽晶融合

晶背研磨

晶片成品

2.1.2 超純水製造處理流程

超純水是半導體業、生化業、薄膜電晶體(TFT)、製藥業、食品業、核電廠等 在製造過程中扮演著相當重要的角色，就其定義^【2】而言：水中的蒸發殘留物數以 ppb 為單位即稱為超純水，若水中有離子、微粒子、微生物、有機物等，對晶片製 程中的氧化膜、多結晶膜、金屬連線等均對半導體製造造成巨大影響，使 IC 的電 氣特性受到嚴重破壞。超純水之水質通常依照 DRAM 來制定其水質標準如表 2-1-3

【4】。如何將自來水質中之所有雜質^【3】如表 2-1-4，依水中各種不同物質採用各式方 法將其去除，已獲得高純度之超純水來做為半導體奈米製程之研究與開發，而超純 水之標準亦隨著邁入奈米時代其水質要求日益嚴苛，不僅其水質佳更須能穩定供應 方能應付製程所需，半導體製程由 4 吋、6 吋、8 吋進而到現今的 12 吋相對超純水 之用量亦隨之增加。在台灣水資源不足之情況之下，如何利用現有資源來供應工廠 大量自來水及水資源回收再利用，對政府及產業界是一個很重要的管理研究課題。

以實驗室而言，超純水之製造流程如圖 2-1-2 來說明，而就一般製造超純水各 單元設備功能^【2】匯整如表 2-1-2。前處理裝置由砂及活性碳組合而成濾除水中的懸 浮微粒及吸附水中之有機物，此裝置在使用一段時間後，須進行水質檢測反洗再生 維持原有之功能。逆滲透膜是將水中之微生物、有機物、微粒子以高壓方式將水經 由薄膜加以濾除雜質。脫氣裝置乃利用真空原理將水中之空氣去除。離子交換塔是 將水中之離子藉由陽離子之官能基之 H 與水中的 Ca、Mg 等離子進行交換，陰離子 之官能基之 OH 與水中的 Cl、SO4等離子進行交換，已達到將水純化之目的，若樹脂 吸附飽和可以使用 NaOH 及 HCL 來進行樹脂還原重複使用。紫外線燈 UV 利用波長 254nm，進行微生物之殺菌動作。紫外線燈 TOC-UV 所產生的紫外光線約 90％波長為 254nm，10％波長為 185nm 藉由此波長將水中有機物之分子鍵結構破壞，而成為小 分子之物質。核子級離子樹脂吸附是將純水經前段處理之後，為確保超純水水質要 求，進行最後一階段之離子吸附過程。限外濾膜是為超純水進入潔淨室使用點之前 最後一個處理單元設備將水中所有之大顆粒之粒子均將以濾除，維持水質進行高科 技之奈米技術元件研發。

表 2-1-2 自來水中不純物去除設備功能一覽表 項目

單元設備 懸濁物 微生物 有機物 微粒子 離子 氣體 前處理過濾裝置 ◎ ○ ○ ○

逆滲透膜 ◎ ◎ ◎ ◎

脫氣裝置 ◎

離子交換塔 ○ ○ ◎

紫外線燈 UV ◎

紫外線燈 TOC-UV ◎

核子級離子樹脂 ○ ○ ◎

限外濾膜 ◎ ○ ◎

圖 2-1-2 NDL 超純水製造流程圖 表 2-1-3 半導體 DRAM 要求水質規格 DRAM 密集度

成份 1M 4M 16M 64M 256M 1G 水阻質 MΩ-㎝ ^{≧18 ≧18.1 ≧18.1 ≧18.2 ≧18.2 ≧18.2} 微粒子粒徑 um ^{0.1 0.08 0.05 0.05 0.05 0.03} 微粒子數目 Pcs/ml ^{≦10 ≦10 ≦10 ≦5 ≦1 ≦3} 細菌 CFU/L ^{≦10 ≦5 ≦1 ≦1 ≦1 ≦0.5} 總有機碳 ppb ^{≦30 ≦10 ≦2 ≦1 ≦1 ≦0.5} 總矽量 ppb ≦10 ≦5 ≦0.5 ≦1 ≦0.1 ≦0.05

溶解氧 ppb ^{≦50 ≦20 ≦10 ≦5 ≦2 ≦1} 鈉離子 ppb ^{≦0.5 ≦0.1 ≦0.05 ≦0.02 ≦0.01 ≦0.01} 鉀離子 ppb ^{≦0.5 ≦0.1 ≦0.05 ≦0.02 ≦0.01 ≦0.01} 氯離子 ppb ≦0.5 ≦0.1 ≦0.05 ≦0.02 ≦0.01 ≦0.01

原水池 多層過濾 活性碳塔 陽離子塔 脫羰酸塔

RO 桶槽

逆滲透膜 殺菌燈 初級純水桶

總有機碳去除器 離子交換塔 脫氧模組 1um filter

熱交換器 純水桶槽 0.45um filter 總有機碳去除器

脫氧模組 限外濾膜

核子級 交換樹脂

核子級 交換樹脂

潔淨室使用點

表 2-1-4 新竹縣市 94-95 年自來水質平均統計表

項次 檢驗項目 飲用水水質

標準 單位 新竹第一淨

水場

新竹第二淨

水場 寶山淨水場

1 水溫 --- °c 21.7 21.4 22.8

2 濁度 2 NTU 1.1 1.0 0.40

3 色度 5 鉑鈷單位 <5 <5 <5 4 總鹼度 --- mg/L 94.9 86.8 100 5 pH 值 6.0~8.5 --- 7.5 7.5 7.5 6 氯鹽 250 mg/L 11.4 16.4 3.9 7 硫酸鹽 250 mg/L 55.1 52.0 77.3 8 氟鹽 0.8 mg/L 0.16 0.17 0.15 9 氨氮 0.1 mg/L 0.01 0.03 ND 10 亞硝酸鹽氮 0.1 mg/L <0.01 <0.01 <0.01 11 硝酸鹽氮 10 mg/L 1.11 0.91 0.29 12 總溶解固體量 500 mg/L 226.8 227.8 225.7 13 總硬度 300 mg/L 150 158.3 159.1 14 鐵 0.3 mg/L 0.05 0.06 0.04

15 錳 0.05 mg/L ND 0.01 ND

16 大腸桿菌群 6 CFU/100mL <1 <1 <1

17 總菌落數 100 CFU/mL 2 1 3

18 總三鹵甲烷 0.1 mg/L 0.00363 0.00539 0.0112 19 鉛 0.05 mg/L 0.0027 0.0039 0.0018 20 硒 0.01 mg/L 0.0010 0.0007 0.0038

21 砷 0.01 mg/L ND ND ND

22 汞 0.002 mg/L ND ND 0.0001

23 鋅 5.0 mg/L ND ND ND

24 銀 0.05 mg/L ND ND ND

25 銅 1.0 mg/L ND ND ND

26 鉻 0.05 mg/L ND ND ND

27 鎳 0.1 mg/L ND 0.0021 ND

28 鎘 0.005 mg/L ND ND ND

29 鋇 2.0 mg/L 0.0220 0.0214 0.0205

30 銻 0.01 mg/L ND ND ND

31 水質合格否(Y/N) --- --- Y Y Y

時間：94/01/01-95/11/30

2.1.3 廢水處理流程

實驗室製程廢水處理種類大致可分成酸鹼廢水、廠務廢水、氫氟酸廢水、銅製 程、研磨廢水等，就其製程廢水種類依其特性進行處理，系統處理流程如圖 2-1-3 所示。

圖 2-1-3 NDL 廢水處理流程圖 2.1.4 回收現況

水資源回收再利用，就廣義而言可以分為水回收處理再利用（recovery）、直 接利用、綜合利用三種。水回收處理再利用是將廢水經過其他設備將廢水初步處理 後進行另一種用途。直接利用好比逆滲透膜之濃縮水或是設備泵之冷卻水不需處 理，直接進入原水池回收再使用。綜合使用例如超純水製造過程中，離子交換樹脂 在使用過一段時間後，當陰陽樹脂吸附離子飽和後須以化學藥品（NaOH、HCl）進 行再生，重複使用排出之酸鹼廢水讓其自動中和調整 pH 值，再利用來中合一般酸 鹼廢水，不僅可節省化學藥品同時亦達到水資源回收再利用之目的。

依各項水質回收標準需求，可以獲得回收技術將去除廢水中應去除之雜質種 類，回收設備與技術應用範圍均不同，舉例來說溶解性固體物可用化學沉澱、活性 碳吸附、超濾、臭氧氧化來達到目的；離子性污染物可以用陰陽離子樹脂交換、電 析、薄膜處理等。現今國內外之水回收應用技術相當廣泛，如何應用在各行各業經 整理^【34】如表 2-1-7，如需處理特殊廢水處理及回收，可以將各項回收處理單元組合 應用，將有意想不到的結果出現。

表 2-1-7 各行業與回收處理技術之關連性