探討化學機械研磨的用水

2001/9/24
Gary Corlett, Lucid Treatment Systems, Hollister, California

不斷出現的用水需求與廢水的產生，對於目前與預期成長規模下的半導體產業，產生了極其冷酷的效應，傳統的廢水處理方式由於其昂貴的成本，已經無法符合日漸昇高的需求，對此問題，我們針對化學機械研磨平坦化製程，提出在使用點即時的用水再生技術。因為可以節省62%到86%的用水量，所以這項技術的初期成本花費，可以在短短的幾個月內回收。除此之外，為了有效的降低化學機械研磨製程的排放水量，再生技術同時針對排放水的兩項成份:水與研磨液，做個別處理。

半導體產業對於水的使用與其後續廢水處理的需求似乎是永無休止的。與西元1999年消耗一千零八十億加侖水的情況相較，半導體產業在西元2000年預估將需消耗一千三百八十億加侖水[1]。
在以上龐大數字的背後是化學機械的平坦化(Chemical Mechanical Planarization；CMP)不斷昇高的用水量。在西元1997年，化學機械研磨所產生的廢水量為三億二千五百萬加侖，到了西元1999年，其廢水量已激增為五十億加侖，預計今年化學機械研磨的用水量將占半導體產業用水量的40%。雖然用水量與線寬的關係不是很清楚，但是當線寬在西元2005年降低至低於100奈米時，用水量預計將會激增。
化學機械研磨用水量需求，對於水資源的影響是雙重的：除了供水量增加之外，廢水處理亦會造成各地廢水處理設備的負擔。從Intel公司位於美國新墨西州Albuquerque市的最大晶圓廠到Motorola公司位於中國天津的最新的晶圓廠，水資源與廢水處理問題，均限制了半導體產業的未來發展與晶圓廠的擴充。
由於在過去兩年內水資源的問題並沒有有效的進展，在西元1999年國際半導體科技藍圖(International Technology Roadmap for Semiconductors；ITRS)訂定在西元2005年前淨進水量(Net Feed Water)需由13gal/in2縮減至5gal/in2，西元2008年暨長期的目標則為2gal/in2，超純水(Ultrapure Water；UPW)用量亦需成比例的降低，詳見表一說明。由於300釐米晶圓的轉型，使得上述目標的達成更加的複雜，因此ITRS指出半導體產業必需加強用水管理，方能達成上述目標。
#F#表一：半導體產業面臨的用水挑戰

#P#化學機械研磨設備的廢水流
化學機械研磨製程是一種使用研磨液(Slurry)為化學成份的極精密且重覆性的製程，在每道研磨製程再生間，有耗時更長的研磨墊處理(Pad Conditioning)，晶圓緩步(Wafer Buffing)，清洗(Rinse)， 晶圓運送(Wafer Handling)，待轉(Idle)等製程，而這些製程均需消耗一定量的超純水，而產出獨特之大量廢液流，其具有濃度間歇性集中(Concentrated)但整體稀釋(Dilute)的特性。以一天二十四小時平均使用超純水速率為5.1gal/min的情形為例，則十台化學機械研磨設備每天將耗費大約86，400加侖的超純水，同時製造了約同等數量的廢水，以此估算，一年將消耗31.5百萬加侖的超純水量，而需要52.57百萬加侖的進水量。
雖然耗水量是如此的驚人，由於有研磨製程間不含研磨液製程的大量超純水稀釋，其實70%的化學機械研磨製程的排放水是“乾淨”的。這裡所謂“乾淨”的定義是以美國飲用水平均0.75NTU (Nephelometric Turbidity Units)含量為標準，以此相較，去離子水(DI Water)則為0.5NTU。在實際的化學機械研磨製程，其研磨液的固體含量可能高達30%，但是由於研磨製程間大量超純水的稀釋，整體排出廢水的平均固體含量約為0.02%。
圖一係某一化學機械研磨設備排出廢水的固體含量變化趨勢圖。當晶圓研磨製程開始時，由於新的研磨液注入，平盤(Platen)上研磨液的固體含量為12-30/wt%，排出廢水的NTU值隨及因為這些研磨液的排出而提高。當晶圓研磨製程結束時，研磨液停止注入，由於相繼的製程僅使用超純水，排出廢水的NTU值迅速下降為0.75NTU，審視此變化趨勢圖可以發現70%的製程時間，其排出廢水的NTU值均低於0.75NTU。
#F#圖一：典型的化學機械研磨製程排放水之濁度變化趨勢圖，顯示出絕大多數的排放水都是清潔的。

濁度值(Turbidity)可用以衡量造成水呈朦朧狀(Cloudy)的水中懸浮物的含量，而化學機械研磨製程的排出廢水之懸浮物大多為研磨液所含的研磨劑，如矽土(Silica)或者氧化鋁(Alumina)，使用諸如Nephelometer的儀器，可以很容易的評估排放廢水是否可以再生使用。追蹤一段2.42分鐘的典型化學機械研磨製程，發現70%的排放廢水是清潔的，其NTU值小於0.075，亦即70%的化學機械研磨製程的排放廢水，不應該排放到廢水處理系統，這些廢水其實比超純水系統的進水-自來水(City Water)還要乾淨，所以非常適合用在一些非製程(Nonprocess)的場合，如清洗設備(Equipment Rinsers)，洗刷廢氣(Fume Scrubbers)，冷卻水塔(Cooling Towers)使用，甚至於純水系統的進水。在使用點即時的將此部份的水引出至廠務使用，不但可以降低化學機械研磨製程的用水量與排放廢水量，還可以幫助達成ITRS的目標。
長時間監看化學機械研磨製程的排出廢水的固體含量可以發現，其變化量比上述結果更加明顯。從設備製造商的觀點來看，化學機械研磨設備至少必需要有70%的可用時間(Uptime)，但是在實際現場運作時，由於預防保養，研磨墊整理(Buff Pad Conditioning)，測試(Test Wafer Runs)與其他因素的影響，化學機械研磨設備的可用時間可能下降至50%。
追蹤某一晶圓廠操作員在546分鐘一班內使用化學機械研磨設備的情形發現，前七個小時，操作員僅測試了兩塊晶圓，其後的兩個多小時則作業了25塊晶圓。亦即在546分鐘內，該設備僅作業了81分鐘，其餘465分鐘，設備所排放的廢水都是乾淨的，在這一班內85%的排放廢水都不需要經過廢水處理的，但是在下一班內就可能產生完全不同的結果。以上觀察的重點就是，由於廠內不同的化學機械研磨設備，在某一時段可能會處於不同的製程或者維修狀態，所以其排放廢水的固體含量是很難事先預測的。
雖然化學機械研磨設備所排放的大量廢水，其平均固體含量是很低的，但是這些固體懸浮物是很難處理的。研磨液所含的固體，很容易阻塞公共污水系統(Municipal Waste Systems)，在很多晶圓廠的污水處理系統內氧化物(Oxide)與含有金屬的研磨液混合而形成塊狀的黏稠固體，往往阻塞排放管線而需不時的留意。越來越多的當地法規，限制不可以將含有固體懸浮物的廢水排放到公共污水系統，鎢(Tungsten)，銅(Copper)，與一些微量金屬(Trace Metal)的排放已經被明令限制。

#P#使用點即時廢水回收(Point-of-Use Water Reclamation)
我們認為ITRS對於用水的要求，扭曲了半導體業界所面臨的用水與廢水處理問題，因為目前對於化學機械研磨製程用水再生的努力。大多數集中在製程末端排放水的過濾上，亦即將焦點放在製程的整體排放廢水上。經由以上的資料分析我們可以清楚的了解這樣的作法既耗費龐大又非常沒有效率，顯然無法跟得上呈高度成長的化學機械研磨設備使用量。以下介紹一種更有效率的作法，這項作法使用一套監視系統，來監看各個化學機械研磨設備所排放廢水的固體含量，以決定是否可以即時回收排放水或者必需將其送至廢水處理系統處理，請參考圖二說明。
如圖二所示，這套獨立的監控系統，聯接到各別化學機械研磨設備的排放廢水線上，該監控系統裝置的感測器，可以即時的監控測量排放管線所含的濁度值，根據濁度值來決定將水排放到廢水處理系統或者直接供廠內再生使用。為了確定無誤，當排放水要進入廠內再生用水管線前，另有一具感測器偵測其濁度值是否已降至標準以下。當研磨液進入廢水管線時，感測器即時偵測到濁度值的變化，並將污染的廢水排放到廢水處理系統處理。上述修正後的用水處理方式，可以降低化學機械研磨製程的用水量與相關產出廢水達75%。
#F#圖二：化學機械研磨製程排放水再生技術 : 根據使用點即時分配原則而設計的廢水分配界面系統與遠端分配機(WISCARD)。

#P#晶圓廠實際測試
為了要擴建廠房，某一主要的半導體製造廠商考慮增加供水來源，其方式之一包括增建一座耗費頗巨的水井 (Well) 。除此之外，該公司亦考慮上述的用水技術，而決定嘗試使用上述的監控系統。該公司的工程人員將監控系統，連接到一台化學機械研磨設備後，從事為期六週的測試。
測試的過程中，排放廢水(Effluent)與直接再生用水(Reclaimed Water)的比例變化很大，直接再生用水所佔比例由最低的40%，變化到最高的97%，這台供測試的化學機械研磨設備，共計執行超過4,344個工作再生，產生高於337,700加侖的排放水，其平均日排放水量為7,342加侖，但是每日平均只有2,559加侖或者35%的排放水必需送至廢水處理系統處理，也就是說在為期六個星期的測試過程，65%的排放水可以不經處理，直接送至廠內再生用水使用。
測試的過程中亦隨機取樣以憑估超純水，自來水，含有研磨液的排放水，與被直接排放到廠內再生系統的水之品質，離子分析(Ion Chromatography)與原子元素頻譜(Atomic Element Spectrum)結果顯示，被送至廠內再生使用的排放水其品質高於自來水，如表二所示。除了提供非製程用水，如清洗設備使用，之外這些直接送至廠內再生系統的排放水是個絕佳的逆滲透(Reverse Osmosis；RO)水的進水來源，如此可以降低超純水的製造成本。
製造一噸超純水需要兩噸的自來水，但是如表二第二欄所示的再再生用水，由於其乾淨的品質，可以提供一個更乾淨，更有效率的進水來源。使用此再再生用水，可以減少製造超純水製造過程中清洗過濾器的次數，並且延長碳床的壽命。除此之外，由於此再再生用水的顆粒含量低於自來水的顆粒含量，因此可以有效提昇通過逆滲透膜的流量，使超純水的製造更有效率。
#F#表二：使用者憑估的數據顯示由化學機械研磨製程排放水所取得的清潔水適合於製造超純水

在使用上述排放水監控系統之前，化學機械研磨設備的排放廢水之固體含量為0.02wt%，有了上述裝置之後，由於排放廢水量減少了65%，送至廢水處理系統的廢水之固體含量增加為0.31wt%，在排放廢水量的降低與排放廢水固體含量的增加之重效應影響之下，使得排放廢水的處理較以前更加容易。
根據以上，分析半導體業者可以在不增加超純水製造設備與廢水處理設備的情況之下，增加化學機械研磨設備的數量。除此之外，這項技術亦提昇排放廢水的處理效率與降低成本。

#P#OEM進展
我們在化學機械研磨設備排放廢水技術方面的成功，是與SpeedFam-IPEC公司在其Auriga與Auriga C機型上改善用水效率的努力成果的一部份，在知道Lucid系統之前，SpeedFam-IPEC公司計劃主持人工程師Mary Reker正在研究一種將最乾淨(Cleanest)的用水送至較不乾淨(Less Clean)的用途來再生使用，以降低化學機械研磨設備整體水消耗量的策略，例如運送晶圓過程中的排放水，可以用來清洗管線(Tub Rinses)或者清潔整理墊外環(Conditioner Ring Birdbath)。SpeedFam-IPEC公司分析研磨與清洗過程排放廢水的污染程度，以決定最佳的再生使用情形，其他用水的最佳化策略有:使用超純水流量控制器，降低超純水的供應管線尺寸，以及其他種種方式。但是對於化學機械研磨設備的設備供應商而言，上述的改變將需要做機器設備的設計變更與客戶端的對於製程設備再評估。
#F#裝置LUCID’s WISCARD技術的SpeedFam-IPEC公司(機型Auriga C)的化學機械研磨設備。

工程師Reker經由使用點的水分離技術，來探討排放水再生使用的情形，她發現最為可行的方式就是將使用於晶圓下載站，指示平台，與清洗研磨頭的用水再生使用在清洗管線的過程(一項非製程的接觸式步驟)，對於清洗管線的過程而言，這種方式每分鐘可以降低2.6加侖的用水消耗。
SpeedFam-IPEC公司將Lucid系統(舊型的圖二系統)安裝到Auriga C機型上測試，立即確認工程師Reker先前的發現，如圖三所示。絕大部份該化學機械研磨設備所排放的廢水，可以有效的加以分離與再再生使用，因為Lucid系統可以將排放廢水中，可以直接再生使用的部份，直接送至化學機械研磨設備之清洗管線的進口端，所以避免了昂貴的管線費用與系統中斷時間。但是只有一小部份的直接再生用水可以使用於清洗管線，其餘的直接再生用水必需送至廠務以供其他廠內用途使用。
#F#圖三：SpeedFam-IPEC公司(機型Auriga C)之化學機械研磨機台的排放水Turbidity變化趨勢圖

Auriga C機型每分鐘需要8加侖的超純水來做晶圓處理，2.6加侖的自來水來清洗管線，但是為了使配管方便，許多晶圓廠在安裝機器的時候，均使用超純水來做化學機械研磨設備的管線清洗。假設86%的8加崙/分鐘超純水可以回收再生使用，而回收再生用水中的2.6加侖/分鐘被使用來清洗管線，則每年可以節省以下的成本：
●如果使用超純水來清洗管線，使用量為2.6加侖/分鐘，1,000加侖的超純水需耗費16美元，則一年可以節省16,860美元。
●再生用水4.3加侖/分鐘，1,000加侖的成本為2美元，則可以節省4,520美元。
●廢水產生量為6.9加侖/分鐘，1,000加侖的處理費用為8美元，則可以節省29,013美元。
雖然因地點不同此數目會有些許變化，這個簡單的例子顯示此項用水技術，每年可能節省50,393美元。
目前SpeedFam-IPEC公司將這種不影響研磨製程(Process)，效果(Performance)，程式(Programming)，與系統(System)的排放水監控系統安裝至每台旋轉式化學機械研磨設備上，以有效的降低水用量。

#P#降低研磨液使用量
除了水之外，完整的化學機械研磨設備排放水技術，必需考慮到研磨液的使用，一般而言，製程工程師都被強迫使用過多的研磨液用量，其用量介於250ml到1000ml之間。由於如果使用過少的研磨液，可能導至不良的平坦效果甚至損壞晶圓，超量使用研磨液是有其道理的。
雖然供應研磨液的蠕動式幫浦(Peristaltic Pump)的成本非常低廉，但是它的輸出重現性有限，亦即蠕動式幫浦無法長期提供共用供料迴路上(Shared Distribution Loop)每台化學機械研磨設備定量的研磨液，所以製程工程師對此特性必需非常的小心。幫浦本身正常的磨耗也會影響研磨液的流量，除此之外，當每台化學機械研磨設備被加入共用供料迴路上使用時，研磨液的供應壓力將會上下變動，當越來越多的化學機械研磨設備同時於線上使用時，管線上的研磨液壓力與供應至個別機台的研磨液流量都會下降，這些壓力與流量的下降意謂著單一機台供應量的減少，為了製程穩定起見，工程師必需超量使用研磨液。
要解決上述問題，就必需動態控制線上研磨液的壓力，使得個別機台的使用狀態不會對線上的研磨液壓力產生影響。針對此項議題，我們已經完成一套線上研磨液壓力控制系統，它包含一個檢測線上研磨液壓力變化的感測器與據此壓力變化來調整研磨液流量的空壓閥(Pneumatic Valve) 。除此之外，線上亦配置流量表以追蹤線上的研磨液流量，當線上的研磨液壓力與流量都能呈穩定狀態，蠕動式幫浦的產出就會更加穩定，而由於研磨液的穩定供應量，製程工程師就更能嚴格的控制研磨液的使用量，因而促成研磨液使用量的大幅降低。

#P#結論
在此我們提出一種同時針對水與研磨液的雙管齊下的用水技術，一方面降低排出廢水總量，另一方面亦增加排出廢水的固體含量百分比，由於排出廢水的性質更為一致，所以其後續作業更加容易預期與處理。另一方面由於將含有氧化物的研磨液與含有鎢，銅等金屬的研磨液分開，半導體業者可以將高品質的化學機械研磨設備排放水，應用到一些不同的工業用途上。再再生利用的研磨液可以使用在諸如織品製程(Textile Processing)，光學元件研磨(Optical Grinding)，與精密鑄造(Precision Casting)等用途上。

#P#參考文獻
1.Calculated from data in E. Schumann, Info Express: What Up From SEMI?“Silicon wafer shipments rise 25% in 1999, but concerns remain regarding future investment and R&D,”February 2000.

#P#作者
GARY CORLETT在California State Polytechnic University，Pomona取得工業工程學士與工業工程暨作業研究碩士學位，他也是位註冊的工業工程師。在創立Lucid Treatment Systems(前身為CMP Technologics)之前，作者曾經擔任Rockwell International的現場服務經理與FSI’s Applied Chemical Solutions的市場運作部門經理。他目前擔任Lucid Treatment Systems的技術副總，聯絡方式:住址2339 Technology Parkway，Suite A，Hollister，CA 95023; 電話：1-831-634-4800，傳真：1-831-634-4805，電子郵件 lucidgary@aol.com。