申请日2010.10.06
公开(公告)日2014.12.31
IPC分类号C02F1/44; B24B57/02; B24B37/04
摘要
本发明涉及一种用于从半导体处理工艺、特别是从化学机械抛光工艺中产生的含浆料的废水的再循环方法和再循环装置。所述方法由以下步骤组成：过滤步骤，其中不断将含新鲜浆料的废水引入循环容器(10)中，在此期间不断从该循环容器(10)中抽出混合废水，引导该已抽出的废水穿过超滤装置(20)并通过去除该流体而进行浓缩从而形成浓缩废水，并且将该浓缩废水引入该循环容器(10)中并使其与该循环容器(10)的内含物混合以获得该混合废水;以及在该过滤步骤之后的浓缩步骤，其中在不断从该循环容器(10)中抽出混合废水时阻止或实质上停止向该循环容器(10)添加新鲜废水，将所述抽出的混合废水引导穿过该超滤装置(20)并且通过去除该流体而对其进行浓缩，从而形成浓缩废水，并且将该浓缩废水引入该循环容器(10)中。
翻译权利要求书
1.一种用于从半导体处理工艺中产生的浆料废水的再循环方法，包含以下工艺步 骤：
-过滤步骤，其中当不断从循环容器(10)中抽出混合废水的同时，不断将新 鲜的含浆料的废水供送至循环容器(10)，将该抽出的混合废水穿过超滤装置(20)并 且通过去除流体而由此被浓缩从而获得浓缩废水，并且将该浓缩废水送入该循环容器 (10)中并且与该循环容器(10)的内含物混合，以获得该混合废水;
以及
-浓缩步骤，其在时间上随该过滤步骤之后进行，其中当不断从该循环容器 (10)中抽出混合废水的同时，供送至该循环容器(10)的新鲜废水会减少或者实质 被切断，将抽出的混合废水穿过该超滤装置(20)并且通过去除流体而由此被浓缩， 从而获得浓缩废水，由此导致在浓缩废水中的固体浓度与该混合废水相比有所增加， 并且将该浓缩废水送入该循环容器(10)，直至获得再循环浆料。
2.如权利要求1所述的再循环方法，其特征在于，所述的半导体处理工艺为化学机 械抛光工艺。
3.如权利要求1所述的再循环方法，其特征在于，使从该循环容器(10)中抽出的 混合废水穿过基于膜的超滤装置并且通过抽出渗透物而由此被浓缩，从而获得浓缩废 水。
4.如权利要求1所述的再循环方法，其特征在于，在该过滤步骤之后立即进行该浓 缩步骤。
5.如权利要求1所述的再循环方法，其特征在于，在该循环容器(10)中的固体浓 度超过预定的低浓度阈值时引入该浓缩步骤。
6.如权利要求1所述的再循环方法，其特征在于，该浓缩步骤包含不断向从该循环 容器(10)中抽出的混合废水添加附聚抑制剂。
7.如权利要求1所述的再循环方法，其特征在于，在穿过该超滤装置的过程中，从 该混合废水中去除的液体被引入液体容器中并从该处被供送至该半导体处理工艺。
8.如权利要求1所述的再循环方法，其特征在于，该浓缩步骤进行的浓缩时间段与 该过滤步骤进行的过滤时间段之比例为小于5%。
9.如权利要求1所述的再循环方法，其特征在于，该浓缩步骤进行的浓缩时间段与 该过滤步骤进行的过滤时间段之比例为小于3%。
10.如权利要求1所述的再循环方法，其特征在于，该浓缩步骤会进行到直至在该循 环容器(10)中的固体浓度超过预定的高浓度阈值为止，于此，在时间上随后进行的 进流步骤中，从该循环容器(10)中抽出该混合废水作为再循环浆料。
11.如权利要求1所述的再循环方法，其特征在于，该新鲜的含浆料的废水、混合废 水、浓缩废水、通过该超滤装置从该混合废水中去除的液体和/或该再循环浆料是基本 上不含金属地被传导和/或储存的。
12.如权利要求1所述的再循环方法，其特征在于，在该循环容器(10)中用惰性 气体覆盖该混合废水。
13.如权利要求1所述的再循环方法，其特征在于定期引入的反洗步骤，其中，在 穿过该超滤装置时，使从该废水中去除的液体以相反的方向穿过该超滤装置，以分离 滤膜堆积物。
14.用于再循环从半导体处理工艺中产生的浆料废水的再循环装置，包括：
-循环容器(10)，用于接收含浆料的废水;
-废水进料管(101)，用于连接到该循环容器(10);
-超滤装置，其通过超滤器进料管(201)而连接到该循环容器(10)用于通 过去除流体而不断对从该循环容器(10)中抽出的混合废水进行浓缩;
-废水返回管(105)，用于将该浓缩废水送入该循环容器(10);以及
-控制装置，其被设置成执行如以上权利要求中任一项所述的再循环方法。
15.如权利要求14所述的再循环装置，其特征在于，所述的半导体处理工艺为化学 机械抛光工艺。
说明书
再循环从半导体处理工艺、特别是从化学机械抛光工艺中产生的含浆料的废水的再循环方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于从半导体处理工艺、特别是从化学机械抛光工艺中产生的再 循环浆料废水的再循环方法和再循环装置。
背景技术
化学机械抛光(CMP)近年来已被确立为对半导体材料进行抛光的标准方法。特 别是，在半导体晶片上沉积功能层后，会采用CMP，以补偿在沉积过程中造成的不规 则。在这种情况下，在该半导体晶片与抛光表面之间会分布有化学和机械上活性的、 胶质的抛光剂，该抛光剂被称为浆料。该半导体晶片表面由半导体晶片与抛光表面之 间的相对运动所支持，被化学地侵蚀并且被抛光。
在这样的抛光工艺中，必须不断将新鲜浆料供送至抛光表面，以实现最佳的抛光 性能。废水会在该抛光工艺中形成，该废水除了包含抛光液体(一般是水和浆料)，还 包含因抛光磨损而产生的杂质。此外，该废水一般包含另外的、控制该抛光过程的化 学物质。取决于工艺类型，这些可以包括pH调节剂、氧化剂和/或稳定剂。该浆料废 水一般会被抽出并丢弃。由于获取该浆料以及该抛光液体的成本都很高，因此浆料再 循环工艺有节省成本的巨大潜力。
在已知的从浆料废水中提取抛光浆料的工艺中，从CMP装置中抽出的废水会被 收集，并通过混合和/或过滤过程来使其再循环。这样的方法已于例如EP 0 822 033 A1 中公开。在这种已知方法中，透过使用泵通过抽吸来从抛光工艺中抽出废水并将其送 入某种类型的混合装置中，其中另外的处理物质以及新鲜浆料也通过管道引入。由此 产生的处理过的混合物作为已再循环的浆料穿过热交换器、多个传感器以及最终穿过 过滤器并作为新鲜浆料被供送至该抛光工艺中。这种类型的线性再循环方法(其中在 多个互相紧接的工艺步骤之后将该废水送回该抛光工艺中)的缺点是必须对该再循环 装置的单独部件有非常高的要求，但这些要求一般都满足不了。
与之相比，US 6 722 958 B2公开了在一种循环方法中再循环浆料。据此，将来自 CMP工艺的废水装入容器中并从该处穿过超滤器。在这种情况下，将从该废水中滤出 的水弃掉。在过滤过程中产生的过滤产物作为浓缩浆料返回至该容器中。然后或同时 地进行纯化过程，其中将纯化水定时引入该容器中，以稀释并洗涤该浓缩浆料，从而 以此方式通过溶解来提出杂质(如盐和有机物质)。然而，这种方法是复杂的并且不能 达到以有效的方式获得高浓度的已再循环的浆料的目的。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种以符合成本效益和省时的方式从浆料废水再循环浆 料和/或另外的流体(例如水)的再循环方法和再循环装置。
这个目的根据本发明通过具有权利要求1所述特征的再循环方法并且通过具有权 利要求12所述特征的再循环装置得以实现。本发明的有利发展案在从属权利要求中指 出。
本发明首先是基于将有待再循环的含浆料的废水通过在循环或回路中去除流体 而进行浓缩的原理。为此目的，首先将该废水送入循环容器中。在该处其与在该回路 中生成的浓缩废水混合而形成混合废水。在该循环过程中，使从该循环容器中抽出的 混合废水穿过超滤装置并且将在这个过程中形成的浓缩废水送回到该循环容器中。
因此该超滤装置包括至少一个入口以及至少两个出口，通过该入口，从该循环容 器中抽出的混合废水被引入该超滤装置中。在该超滤装置中，从引入的混合废水中去 除液体，以由此实现对该废水的浓缩。然后使该浓缩废水穿过该超滤装置的其中一个 出口并且经废水返回管而进入该循环容器。从该混合废水中去除的液体经该超滤装置 的第二出口排出并且接着优选可以被收集和再用。
该再循环方法在这种情况下基本上包括两个工艺阶段，即在其中进行该过滤步骤 的第一阶段以及在其中进行该浓缩步骤的第二阶段。在该过滤步骤中，在于该循环容 器与超滤装置之间的回路中浓缩该废水的同时，将新鲜的浆料废水会送入该循环容器 中，该浆料废水与该浓缩废水混合。
相比之下，该浓缩步骤的区别之处在于，在回路中浓缩该废水的过程中，供送至 该循环容器中的新鲜浆料废水会减少或实质上被切断。第一阶段与第二阶段之间的切 换是使用该再循环装置的控制装置来进行的。可以例如对时间方面进行控制，或者触 发该切换操作。然而优选地，其是基于在使用布置在该再循环装置中的一些传感器所 测定的测量结果以及它们与理论值比较的结果而受到控制的。
用语“新鲜废水”是指，在这种情况下是通过将其送入之前所描述的用于浓缩废水 的回路的循环容器中而引入的废水。因此这种新鲜废水与由该超滤装置的出口通向该 循环容器的浓缩废水不相同。该新鲜废水是在半导体处理中、例如在化学机械抛光工 艺(CMP工艺)中产生的并且包括被腐蚀的材料以及其他化学物质所污染的浆料的含 浆料的废水。
该新鲜废水还可以是预过滤的废水，该废水是例如首先储存在预储存槽中并从该 处经一个或多个预过滤阶段而送至该循环容器。优选地，预过滤以两阶段的方式并且 以非常低的截留率进行，以致例如是由于CMP工艺中的垫磨损而导致的颗粒污染物 保持远离该循环容器。通过这种方式防止了该超滤装置快速堵塞。这是很重要的，特 别是在具有空心纤维膜的基于膜的超滤装置中。
该超滤装置是适于从引入其中并流经其中的混合废水中去除液体的过滤装置。总 体上，这种液体是水，但也可以从有可能在半导体处理工艺中使用的混合废水中抽出 其他液体或液体混合物。在该超滤装置中确保了位于从该混合废水中去除的液体内的 颗粒的粒径最大约为0.01μm至约0.1μm。这与例如微滤是相反的，在微滤中去除的 液体可以具有大小为0.1μm以上的颗粒。换言之，在这种情况下，用语“超滤装置”中 的用语“超”是用来表征通过该过滤装置从该混合水以及该液体中所分离出的颗粒的粒 径。
在穿过该超滤装置时，该混合废水被浓缩而给出了浓缩废水。这意味着该浆料在 该浓缩废水中时的体积浓度比在被引入至该超滤装置中的混合废水中时高。这种浓缩 通过在该超滤装置中去除流体而进行并且导致在浓缩废水中的固体浓度与该混合废水 相比有所增加。
在优选实施方案中，所提供的是使从该循环容器中抽出的混合废水穿过基于膜的 超滤装置并且通过抽出渗透物而将其浓缩，从而给出浓缩废水。具体而言，在这种情 况下这可以是错流过滤装置(cross flow filtration)，也称为切向流或横流过滤。该超滤 装置的膜优选是由聚合物(例如聚丙烯腈)制成。
在一有利的发展案中，所提供的是在该过滤步骤之后立即进行该浓缩步骤。这意 味着在浓缩步骤与过滤步骤之间的时间内不会进行进一步的工艺步骤。在从该循环容 器中抽出该过滤步骤中的混合废水、并接着使该废水穿过该超滤装置并回到该循环容 器中时，减少或优选地完全切断送至该循环容器中的新鲜废水(由控制装置来控制)， 以便开始该浓缩步骤。
根据一适宜的实施方案，所提供的是，当在该循环容器中的固体浓度超过预定的 低浓度阈值时引入该浓缩步骤。换言之，一旦达到了该低浓度阈值，就停止向该循环 容器引入新鲜的浆料废水，该阈值约为在1%与3%之间的值，优选约为2%的值。在 该循环容器中和/或在该混合废水抽出管中测量固体浓度，例如通过使用光学在线分析 装置来测量。
优选地，所提供的是，该浓缩步骤包括不断向从该循环容器中抽出的混合废水添 加附聚抑制剂。所用的附聚抑制剂优选是碱液(lye)。其用于使该胶质浆料稳定，以 与所谓的等电点(IEP)保持尽可能远的距离。优选地，使用在原本的浆料中的碱液， 即在半导体处理中的浆料使用过程中也存有的碱液。有效的附聚抑制剂的例子是氨 (NH3)。
在此必须注意，应该使尽可能少的碱液进入该渗透物中，以降低成本并另外避免 碱液污染该渗透物。在本再循环方法中，这是通过仅在非常短的时间内，即在该浓缩 步骤的过程中，停止向该循环容器供送新鲜废水期间，添加该附聚抑制剂而实现的。 用于流入该附聚抑制剂的管道可以由塑料制成并且优选地包含全氟烷氧基烷烃。
在一适宜的实施方案中，所提供的是，在穿过该超滤装置的过程中，从该混合废 水中去掉的液体被引入液体容器中并从该处被供送至该半导体处理工艺。在引入该液 体容器中之前和/或在传递至半导体处理工艺之前，该液体可经受进一步的处理，例如 进一步的过滤或纯化步骤。如果使用基于膜的超滤装置，则去掉的液体可称为渗透物， 而储存装置亦因此可称为渗透物容器。
在一有利的实施方案中，所提供的是，该浓缩步骤进行的浓缩时间段与该过滤步 骤进行的过滤时间段之比例为小于约5%，优选为小于约3%。换言之，该再循环装置 在进行该过滤步骤的过滤阶段中占总工艺时段的约97%(从时间方面衡量)，并且在 进行该浓缩步骤的浓缩阶段中仅占总工艺时间的约3%。
根据一优选的发展案，所提供的是，该浓缩步骤会进行到直至在该循环容器中的 固体浓度超过预定的高浓度阈值为止，在此之后，在时间上随后进行的进流步骤中， 从该循环容器中抽出混合废水作为再循环浆料。在这种情况下，该进流步骤可以包括 进一步的过滤步骤和/或处理步骤，例如为了从该再循环浆料中分离出相对较大的颗 粒，例如粒径超过约1μm的颗粒。
更有利地，所提供的是，该废水、混合废水、浓缩废水通过该超滤装置从该混合 废水中去掉的液体和/或再循环浆料是基本上不含金属地被引导和/或储存的。换言之， 为此使用的管道和容器具有不含金属的内表面，这些内表面优选是完全由塑料制成的。 优选地，这适用于所有在该再循环装置中使用的管道、容器和/或泵。对这些不同的废 水和液体进行不含金属的引导和/或储存的优点是不会有金属杂质进入这些废水中。这 种对“基本上”不含金属的引导或储存的限制，意味着该些对应部件的内表面或该些对 应部件作为整体时，其生产方式是其仅具有在生产过程必需、并且仅属微量的金属物 质。
根据一优选实施方案，所提供的是，在该循环容器中用惰性气体覆盖该混合废水。 换言之，将该惰性气体引入该循环容器中，在混合废水的进流水平之上，以此方式使 得该处形成惰性气体层。替代地，该循环容器可以充有高于该进流水平的惰性气体。 该惰性气体优选是加湿过的。以惰性气体、特别是以湿润的惰性气体进行覆盖的优点 是防止了该混合废水在该循环容器的内壁上变干或形成硬皮。因此优选地，在该再循 环装置中的所有其他容器和槽都充有湿润的惰性气体。用于流入该惰性气体的管道可 以由塑料制成并且优选地包含全氟烷氧基烷烃。该惰性气体可以是例如氮气(N2)。
为了使在该再循环装置中的不同的回路尽可能的紧密且无泄漏，在此用于传输液 体和/或气体的一些或所有的泵都应该优选地无轴承和密封件。这不仅适用于传输新鲜 废水、废水、混合废水和/或浓缩废水的泵，而且还适用于用来传输附聚抑制剂以及惰 性气体的泵。
优选地，提供了定时引入的反洗步骤，其中，在穿过该超滤装置时，从该废水中 去掉的液体以相反的方向穿过该超滤装置，以分离滤膜堆积物。这样的滤膜堆积物(如 称为滤饼)可损害该过滤装置的有效运作。该些反洗步骤可以按固定的、等距的时间 间隔进行。替代地或另外地，可以通过显示膜的沾污程度的测量值(例如通过流动阻 力)来触发反洗步骤。
为了使该方法符合成本效益，必须小心确保反洗有效。特别是，对于反洗来说有 利的是除了使用从该废水中去掉的液体之外或者作为其替代方案而使用气体。优选地， 使用惰性气体，例如氮气，或惰性气体与液体的混合物来进行反洗。优选迫使该液体、 气体或混合物穿过空心纤维以将在滤膜处形成的滤饼剪切掉。由反洗而产生的反洗废 水优选地不供送回到回路中。