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,
|
|
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
|
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 |
Thailandindustrycom_official
