在半导体制程的化学机械抛光(CMP)工序中,使用含有超纯纳米级二氧化硅磨料(硅溶胶)和精细化学品(络合剂、氧化剂)的抛光液。由此产生的废水,是一股非常棘手的纳米颗粒悬浮液,固含量极高、浊度极大(>1000NTU),并溶解有从晶圆上抛下来的铜(Cu)和钨(W)等有价金属。由于颗粒粒径极小(几十纳米),悬浮极其稳定,普通沉淀或过滤对其近乎无效。而且,铜作为重金属须严控,钨则是战略资源。为这组极其复杂且高价值的废水设计处理方案,是对水处理工程技术的顶级考验。
处理的第一步,是破解硅溶胶的超稳定悬浮体系,实现快速的固液分离。利用硅溶胶在特定pH值下zeta电位接近于零的特性,通过精密投加酸或碱,将废水pH调节至硅溶胶的等电点附近,颗粒间的静电排斥力消失,纳米颗粒瞬间失稳,迅速凝并为巨大的、松散的二氧化硅絮状凝胶体。这个过程可以在数分钟内将废水中99%以上的纳米颗粒絮凝沉淀下来,上清液变得极为清澈。沉淀得到的二氧化硅泥饼,经过洗涤纯化,可作为副产品回收。这一物理化学过程,高效地实现了“去浊”。
清澈的分离液中,溶解态的铜和钨离子是处理重点。采用具有不同选择性的螯合树脂进行定向回收。首先,选用对Cu²⁺有极高选择性的亚氨基二乙酸或二硫代氨基甲酸基螯合树脂,将铜离子单独吸附回收,饱和后用酸洗脱,洗脱液即为高纯度的硫酸铜或氯化铜溶液,可直接返回工厂铜互连工艺。随后,处理含钨的流出液。钨在溶液中通常以钨酸根(WO₄²⁻)阴离子形式存在,选用专门的弱碱性或大孔强碱性阴离子交换树脂,可以高效地将钨吸附富集,再通过碱液再生回收钨酸盐。经过这两级高精度离子交换,清液中的重金属已被去除殆尽,剩余的有机物和微量盐分,再通过“超滤+两级反渗透+EDI”的超纯水工艺,被处理为电阻率>18MΩ·cm的超纯水,直接返回芯片生产车间。整个流程,将纳米颗粒、铜、钨和水四大组分逐一分离为资源,堪称电子工业废水治理的顶尖之作。
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