晶圆厂粉尘废气处理方法｜半导体芯片厂晶圆厂废水处理案例

一、污染物来源、特点与危害概述

1.废水

来源：主要来自晶圆制造中的清洗、蚀刻、化学机械抛光（CMP）、光刻、膜沉积等工序。

特点：

成分复杂，含重金属（如铜、镍）、氟化物、有机物（如光刻胶残留）、酸碱物质等；

水质波动大（COD浓度可达500–2000mg/L），可生化性差，处理难度高。

危害：若直排会污染水体，重金属富集危害生态系统，氟化物导致土壤硬化，有机物可能生成致癌物。

2.废气

来源：蚀刻、沉积、清洗等工艺使用的特种气体（如硅烷、磷烷）及有机溶剂（如PGMEA、IPA）。

特点：

组分复杂（含酸性/碱性气体、VOCs、PFCs等），浓度低但毒性强（如砷烷为剧毒气体）；

部分废气（如PFCs）具强温室效应，需高效处理以满足严苛排放标准（如VOCs去除率需达90%–95%）。

危害：易燃易爆气体泄漏可能引发事故；长期暴露于低浓度有毒气体会导致慢性中毒或致癌。

3.粉尘

来源：CMP研磨、晶圆切割、物料传输（如AMHS机械振动）等环节产生的微粒。

特点：

粒径微小（纳米至微米级），易吸附于晶圆表面，且可能携带金属离子；

在洁净室内需严格控制，单颗微粒即可导致芯片短路。

危害：降低产品良率，增加设备磨损；逸散至外界可能造成呼吸道疾病。

二、处理难点与针对性解决方案

1.废水处理难点与对策

难点：

重金属与氟化物难深度去除（如氟化物需降至≤1.5mg/L）；

高盐废水回用成本高，膜系统易结垢污染。

解决方案：

组合工艺：采用“化学沉淀+高级氧化+膜分离”（如RO反渗透）实现分级处理；

资源化技术：通过MVR蒸发结晶回收氟化铵等有用物质，降低处置成本。

2.废气处理难点与对策

难点：

大风量、低浓度VOCs处理能耗高（如沸石转轮需频繁脱附）；

PFCs等温室气体化学稳定性强，传统燃烧法效率低。

解决方案：

浓缩焚烧技术：沸石转轮吸附浓缩后结合TO（直燃式焚烧）或催化燃烧，提升热回收效率；

等离子体/电浆处理：针对含氟废气，通过高能粒子分解污染物，减少二次污染。

3.粉尘控制难点与对策

难点：

纳米级颗粒易二次悬浮，传统过滤难以完全捕获；

洁净室气流组织若设计不当，可能导致交叉污染。

解决方案：

源头防控：优化AMHS（自动物料搬运系统）减少机械振动产尘；

末端净化：采用ULPA超高效过滤器+负压密闭设计，结合静电除尘器捕集亚微米颗粒。

三、经典案例详解

案例一：台积电（TSMC）废水与废气资源化处理

背景：台积电作为全球领先晶圆厂，面临高用水量与复杂废气排放挑战。

处理工艺与设备：

废水回用：厂内设9套再循环系统，采用“MBR膜生物反应器+RO反渗透”工艺，将生产废水分6类定向净化，水质严于法定标准70%；

废气资源化：将蚀刻工艺产生的废硫酸通过专管回收至厂务系统，用于中和碱性废水，实现100%厂内回用；氟化钙污泥经烘干后制成工业级产品，用于电厂脱硫。

效益：

废水回收率达86%，每滴水重复利用3.5次，年节水超12万吨；

2023年回收1600吨氟化钙污泥、1000吨废硫酸，危废量降低20.37%，年节省处置成本超千万元。

案例二：三星西安半导体工厂粉尘与废气综合治理

背景：三星西安工厂需同时控制晶圆制造中的粉尘逸散与有机废气。

处理工艺与设备：

粉尘防控：采用AMHS自动化传输系统减少人工干预，搭配SMIF密闭容器隔绝外部污染；CMP工序引入在线缺陷检测仪实时筛选不良品；

废气处理：有机废气通过“沸石转轮+催化燃烧”组合工艺，沸石吸附后高温脱附，废气净化效率达89%。

效益：

晶圆良率提升约3%，每年减少酒精溶剂使用量约1吨（通过空气吹扫替代手工擦拭）；

非甲烷总烃排放浓度≤7mg/m³，优于上海地方标准，并通过“废弃物零填埋”铂金级认证。

案例三：中芯国际（SMIC）综合环境管理实践

背景：中芯国际多地工厂需符合中国严苛的环保法规（如GB 39731-2020）。

处理工艺与设备：

废水处理：含氟废水采用“混凝沉淀+氢氧化钙除氟”工艺，COD从1200mg/L降至<50mg/L；RO浓水蒸发结晶回收氟化铵；

废气治理：酸性废气用碱液喷淋塔处理，含砷废气通过POU（点式净化装置）专线处理，有机废气采用沸石转轮浓缩后焚烧。

效益：

实施168项清洁生产方案，累计投入2亿元，一般固废回收率从47%升至96%；

五个厂区获“绿色工厂”认证，年减碳量相当于种植200万棵树木。

四、总结

晶圆厂三废治理需结合源头减量（如工艺优化）、过程控制（如密闭传输）及末端治理（如组合技术）。台积电、三星、中芯国际等企业通过资源回用、智能化监控与绿色供应链管理，在达标排放基础上实现了经济与环境效益双赢。未来，随着膜技术、AI预测性维护等创新应用，晶圆厂环保治理将向零液体排放（ZLD）与碳中和方向持续演进。