เนื้อหาวันที่ : 2006-02-18 02:48:42 จำนวนผู้เข้าชมแล้ว : 4445 views

การเพิ่มประสิทธิภาพระบบบำบัดน้ำเสียของกระบวนการ

การนำระบบการรีไซเคิลน้ำหลาย ๆ ระบบมาประยุกต์ใช้ในโรงงานอุตสาหกรรม เพื่อลดภาระในการผลิตน้ำบริสุทธิ์ เพื่อนำมาใช้ในการผลิต

 

 

 

ในปัจจุบัน อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์พยายามจะใช้เทคโนโลยีการทำ Chemical-Mechanical Planarization : CMP (การทำให้ผิวหน้าของชิ้นงานเรียบ โดยใช้กระบวนการทางกลและปฏิกิริยาเคมี) ในการทำให้เทคโนโลยีของทรานซิสเตอร์ต่ำกว่า 0.35 ไมครอน แต่การทำ CMP ต้องใช้ต้นทุนจำนวนมาก เนื่องจากจำเป็นต้องใช้น้ำ  DI ปริมาณมาก และค่าใช้จ่ายในการบำบัดน้ำเสียที่ได้จากกระบวนการผลิต ซึ่งปริมาณน้ำที่ใช้ในกระบวนการ CMP เท่ากับ 50% ของปริมาณการใช้น้ำทั้งหมดของโรงงาน ในโรงงานที่มีกระบวนการ CMP Polisher ใน Production Pilot Line ต้องเพิ่มปริมาณการผลิตน้ำบริสุทธิ์ (Ultrapure Water) หรือนำเอากระบวนการบำบัดน้ำเสียที่พัฒนามาให้เหมาะสมกับกระบวนการ CMP มาใช้ หากต้องการเพิ่มความสามารถในการผลิต

 

เมื่อมีการเพิ่มความสามารถในกระบวนการ CMP ทำให้ปริมาณน้ำที่จะใช้ในการผลิตไม่เพียงพอต่อกระบวนการผลิตรวมของทั้งโรงงาน เช่นในกรณีของ Cirent Semiconductor, Lucent Technologies Company, Orlando, FL ซึ่งไม่สามารถที่จะเพิ่มจำนวนอุปกรณ์ ในการทำน้ำบริสุทธิ์ เนื่องจากต้องใช้เงินลงทุนจำนวนมาก นอกจากนี้ ในการ Certify ISO 14001 สำหรับโรงงานนั้น การประหยัดน้ำที่ใช้ในกระบวนการผลิต การนำน้ำกลับมาใช้ในกระบวนการผลิตอีก และการรีไซเคิลน้ำ เป็นสิ่งที่สำคัญของเกณฑ์ที่ใช้ในการตรวจสอบอีกด้วย

 

ดังนั้นจึงมีการนำระบบการรีไซเคิลน้ำหลาย ๆ ระบบมาประยุกต์ใช้ในโรงงานอุตสาหกรรม เพื่อลดภาระในการผลิตน้ำบริสุทธิ์ เพื่อนำมาใช้ในกระบวนการผลิต หนึ่งในระบบบำบัดน้ำเสียที่นำมาประยุกต์คือ Waste Interface System ของ Lucid Treatment System (Hoolister, CA) ซึ่งถูกออกแบบมา ให้มีการแยกน้ำเสียที่เกิดขึ้นในกระบวนการผลิต ณ จุดที่ใช้น้ำ และทำการปล่อยน้ำดังกล่าวไปยังระบบ การรีไซเคิลเพื่อให้ผ่านไปที่ศูนย์กลางการกรองของระบบบำบัดทันที ในที่นี้จะกล่าวถึงการดำเนินการของระบบ และผลที่ได้รับหลังจากการติดตั้งระบบที่ท่อระบายน้ำทิ้งของ CMP Tool ของออกไซด์และทังสเตน

 
ปริมาณการใช้น้ำในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์

ปริมาณการใช้น้ำในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์สำหรับกระบวนการ CMP Polisher นั้น ประมาณ 4.2-12.0 แกลลอนต่อนาที หรือเฉลี่ยอยู่ที่ 8.1 แกลลอนต่อนาที ซึ่งปริมาณรวมของการใช้น้ำต่อหนึ่งการะบวนการ Polisher นั้นจะอยู่ที่ 11,664 แกลลอนต่อวัน หรือ 4.25 ล้านแกลลอนต่อปี เมื่อคำนวณเป็นค่าใช้จ่ายในการผลิตน้ำบริสุทธิ์จะอยู่ที่ 0.016 ดอลลาร์ต่อแกลลอน ซึ่งจะต้องสูญเสียค่าใช้จ่าย ในการบำบัดน้ำเสีย ประมาณ 136,000 ดอลลาร์ต่อปี

 

ค่าใช้จ่ายที่เพิ่มขึ้น อาจมาจากการเพิ่มความสามารถในการผลิต โดยการติดตั้งเครื่องจักรสำหรับ Polisher ซึ่งไม่สัมพันธ์กับความสามารถในการผลิตน้ำบริสุทธิ์และระบบการบำบัดน้ำเสีย ซึ่งในระบบปัจจุบัน ไม่สามารถรับภาระทั้งหมดได้

 

อย่างไรก็ตาม ปัญหาที่เกิดขึ้นอยู่ในระหว่างการแก้ไข ซึ่งกระบวนการ CMP ต้องการช่วงเวลาที่จะเปรียบเทียบความแปรปรวน (Variation ) ของงานที่ได้ ล็อตต่อล็อต ในทั้งที่เป็นเวเฟอร์เดียวกันและที่ทำมาในช่วงเวลาและเครื่องจักรตัวเดียวกัน ซึ่งเวลาที่ใช้ในกระบวนการ CMP จะขึ้นกับลักษณะของผลิตภัณฑ์ที่ออกแบบมา โครงสร้างของกระบวนการผลิต รวมถึงความต้องการของโรงงาน โดยอยู่ภายใต้ความเหมาะสม

 

เพื่อให้มีการเตรียมความพร้อมของเครื่องมือแต่ละตัวนั้น สิ่งที่เลี่ยงไม่ได้เลยก็คือ การทำให้ Polishing Pad เปียกอยู่ตลอดเวลา และภายในห้องการทำงานของเครื่องมือ ต้องมีการชะล้าง แม้ว่าจะเป็นช่วงที่เครื่องไม่ได้ทำการผลิต ซึ่งจำเป็นที่จะต้องใช้น้ำในการชะล้างจำนวนมากเช่นกัน ดังนั้น แนวทางแก้ไขปัญหาดังกล่าวจึงมีดังนี้

1. ลดปริมาณการใช้น้ำบริสุทธิ์ โดยการนำน้ำที่ใช้ในกระบวนการ Reclaimed CMP กลับมาใช้ในการชะล้างห้องการทำงาน และขั้นตอนการผลิตที่ไม่สัมผัสกับแผ่นเวเฟอร์โดยตรง หรือนำกลับไปเปลี่ยนให้เป็นน้ำบริสุทธิ์อีกครั้ง

2.ทำการปรับปรุงประสิทธิภาพของกระบวนการ CMP โดยลดปริมาณของ Effluent ที่เกิดขึ้น หรือเพิ่มความเข้มข้นของ Slurry ที่ใช้

 
การออกแบบและการติดตั้งระบบการแยกน้ำทิ้ง

ระบบการบำบัดน้ำเสียนี้ จะประกอบด้วยเซนเซอร์ที่ทำการวัดส่วนประกอบของ Slurry ที่เป็นน้ำเสียที่ออกจากกระบวนการผลิต ก่อนเข้าไปยังหน่วยบำบัด โดยจะมีวาล์วที่แยกน้ำ ที่นำกลับมาใช้ได้ในการใช้ทำความสะอาดห้องการทำงาน และอีกส่วนหนึ่งส่งไปยัง Ion Exchange Column เพื่อทำเป็นน้ำบริสุทธิ์ต่อไป นอกจากนี้ จะมีแทงก์ 2 แทงก์ สำหรับเก็บกักน้ำเสียที่ออกจากกระบวนการผลิต และปั๊ม คอยทำหน้าที่แจกจ่ายไปยังหน่วยบำบัดต่าง ๆ ซึ่งระบบถูกออกแบบมาให้อยู่ใกล้กับท่อระบายน้ำทิ้งของเครื่อง CMP Polisher มากที่สุด โดยจะมีวาล์วที่ท่อน้ำทิ้งคอยเปิด-ปิดให้มีการแยกของน้ำเสียที่เกิดขึ้น ดังแสดงให้เห็นได้ในรูปที่ 1

รูปที่ 1 แสดงการทำงานของระบบการแยกน้ำทิ้งที่ติดตั้งต่อจาก Polisher

 

ซึ่งต่อมา ได้มีการติดตั้งระบบแยกน้ำทิ้งโดยแบบแรก ขนาด 2 นิ้ว สำหรับระบายน้ำทิ้งที่ได้จาการทำ Polishing และแบบที่สอง ขนาด 4 นิ้ว เป็นท่อที่ใช้ระบายน้ำทิ้งที่ได้จากการทำ Buffing ส่วนที่ทำการโหลดงานเข้า-ออก และในส่วนเครื่องจักร ออโตเมชั่นทั้งหมด

 

เนื่องจากในการทำ Buffing และการทำ Polishing ของออกไซด์นั้น ใช้ Slurry ชนิดที่เป็นคอลลอยด์ของซิลิกาเหมือนกัน ซึ่งในสายการผลิตทั่วไป จะติดตั้งท่อระบายน้ำทิ้งของทั้งสองส่วน แล้วมารวมกันเพื่อให้ไปรวมที่ระบบการแยกน้ำ

 

แต่สำหรับการทำ Buffing และการทำ Polishing ของทังสเตนนั้น จะใช้ Slurry ที่ต่างจากออกไซด์ ซึ่งน้ำทิ้งที่ได้จากกระบวนการผลิต จะถูกแยกออกตั้งแต่ที่ออกจากห้องการทำงาน โดยจะมีเพียงห้องการทำงานหลักของ Polishing เท่านั้น ที่จะต่อเข้ากับระบบการแยกน้ำ

 

ที่ปลายท่อของทั้งสองแทงก์ จะมีการติดตั้งมิเตอร์ เพื่อทำการวัดปริมาณของน้ำที่ออกจากระบบแยกน้ำ ว่ามีปริมาณน้ำที่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้เท่าไร และที่เป็นน้ำเสียที่ต้องทำการบำบัดเท่าไร ซึ่งต้องทำการศึกษามิเตอร์ที่ใช้อย่างละเดียด เนื่องจากเครื่องมือของกระบวนการ CMP จะใช้ปริมาณน้ำบริสุทธิ์แตกต่างกันระหว่างเครื่องที่ใช้งานและเครื่องว่าง นอกจากนี้ยังมีการติดตั้ง Sampling Port ที่ปลายท่อของน้ำที่ออกจากระบบ เพื่อทำการวิเคราะห์คุณภาพของน้ำที่ได้ออกมาจากแต่ละท่อ และเพื่อความแม่นยำ และเป็นการตรวจสอบที่เวลานั้น ๆ ได้มีการติดตั้งซอฟต์แวร์ในการเก็บข้อมูลอีกด้วย

 

ตารางที่ 1 แสดงปริมาณน้ำที่ได้จากการทดลองใช้ระบบแยกน้ำ  

 

หลังจากทำการทดลอง 6 สัปดาห์ Polisher จะมีของเหลวที่ออกจากระบบหลังจากเสร็จสิ้นกระบวนการผลิตเป็น 7,342 แกลลอนต่อวัน ซึ่งค่าเหล่านี้ อาจขึ้นลงตามปริมาณการใช้ในแต่ละสัปดาห์ อัตราการไหลของของเหลวที่ได้จะอยู่ที่ 4.76 แกลลอนต่อนาที ขณะที่เครื่องว่าง และมีการชะล้างด้วยน้ำตลอดเวลา จนถึง 5.88 แกลลอนต่อนาที ขณะทำการผลิต

 

PLC จะบอกถึงปริมาณน้ำที่สามารถนำกลับไปใช้ในกระบวนการผลิตได้อีก เมื่อระบบการแยกน้ำทิ้งถูกติดตั้งกับ Oxide Tool 70% ของของเหลวที่ออกจากเครื่องนั้น เป็นน้ำที่สามารถนำกลับไปใช้ได้ แต่ที่ปลายท่ออาจมีการคลาดเคลื่อนเล็กน้อยคืออาจวัดได้เพียง 65% และที่ Tungsten Tool ประมาณ 76% ของของเหลวที่ออกจากเครื่องนั้นเป็นน้ำที่สามารถนำกลับไปใช้ได้ แต่ที่ปลายท่ออาจวัดได้เพียง 70% ซึ่งขึ้นอยู่กับปริมาณการใช้งานในแต่ละวัน แสดงให้เห็นได้ดังรูปที่ 2

 

รูปที่ 2 แสดงปริมาณการใช้น้ำแต่ละวัน  

 

หลังจากทำการเก็บตัวอย่างจากน้ำที่นำกลับไปใช้ใหม่ และน้ำที่ออกจากท่อระบบแยกน้ำทิ้ง ซึ่งสุ่มที่เวลาต่าง ๆ โดยทำการเก็บตัวอย่างทั้งหมด 6 ตัวอย่าง เพื่อนำมาทำการวัดปริมาณของของแข็งที่อยู่ในน้ำ ค่าความเป็นกรด-ด่าง ปริมาณสารอินทรีย์ทั้งหมด (Total Organic Component : TOC) ค่าการนำไฟฟ้า (Conductivity) และสิ่งตกค้างที่เป็นโลหะ (True Metal Contamination) โดยระดับของโลหะที่วัด จะใช้  Inductive Coupled Plasma Atomic Emission Spectrometer (ICP-AES) โดยเทียบกับ Periodic-Table Scan of 32 Trace Metal Contaminant ซึ่งจะอยู่ที่ 0.01 ppb

 

ตารางที่ 2 แสดงองค์ประกอบของน้ำที่สามารถนำกลับไปใช้ได้ กับน้ำที่จะต้องทำการบำบัด

 

 

จากตารางที่ 2 แสดงให้เห็นว่าคุณภาพของน้ำที่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่นั้น มีคุณภาพดีพอที่จะใช้ใน Non-Process Application หรือในการชะล้างห้องการทำงานที่ไม่สัมผัสกับชิ้นงานโดยตรง สิ่งตกค้างส่วนใหญ่เป็นซิลิกอน ซึ่งเป็นส่วนประกอบของ Slurry ที่ใช้ในการ Polishing นั่นเอง

 

หลังจากทำการศึกษาระบบการแยกน้ำทิ้งจากกระบวนการ CMP มีดังนี้

1.ความแม่นยำและน่าเชื่อถือในการแยกน้ำออกจากน้ำทิ้งของกระบวนการ ซึ่งสามารถนำกลับมาใช้ได้อีก

2.ประสบผลสำเร็จในการลดปริมาณน้ำทิ้งและความเข้มข้นของ Slurry ที่ปนเปื้อนมากับน้ำทิ้ง ทำให้เพิ่ม ประสิทธิภาพของระบบบำบัดน้ำเสียได้

3.น้ำที่ได้จากการแยก มีคุณภาพที่ยอมรับได้ และสามารถนำกลับมาใช้งานได้ในขั้นตอนที่ไม่สัมผัสกับชิ้นงาน

 

สรุปแล้ว กระบวนการ CMP จะใช้น้ำบริสุทธิ์เฉลี่ย 8.1 แกลลอนต่อนาทีต่อหนึ่ง Polisher และส่งน้ำทิ้งที่เกิดจากกระบวนการผลิตไปยังระบบบำบัดน้ำเสีย ทำให้ต้องใช้น้ำบริสุทธิ์จำนวนมาก และสูญเสียค่าใช้จ่ายในการบำบัด ทั้งยังมีผลกระทบโดยตรงต่อสิ่งแวดล้อม ดังนั้น ระบบการแยกน้ำทิ้งนี้ จะช่วยทำให้สามารถแยกน้ำบางส่วนกลับมาใช้ในกระบวนการ CMP ได้อีกในขั้นตอนที่ไม่ได้สัมผัสกับชิ้นงานโดยตรง ซึ่งระบบการแยกน้ำทิ้งดังกล่าว สามารถทำให้ขยายการผลิตของกระบวนการ CMP ได้โดยไม่ต้องขยาย หรือลงทุนเพิ่มในกระบวนการทำน้ำบริสุทธิ์     

 
เอกสารอ้างอิง

1.Steven Browne and John Maze, Cirent Semiconductor ; Micromagazine.com

2.Bob Heid, Lucid Treament Systems ; Micromagazine.com