張慶源臺灣大學：環境工程學研究所洪臧燮Hong, Zang-XieZang-XieHong2007-11-292018-06-282007-11-292018-06-282007http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/62809近年來由於工業的蓬勃發展，導致產生工業區內及週邊的用水量不足，必須進行相關的用水調節措施。這種情況隨著各科學工業園區的開發，有日漸嚴重的趨勢，尤其在各科學園區號稱高科技產業的高獲利背後所帶來的高污染、高耗能及高耗水量等高環境成本。在高科技業的耗水量中，以光電產業及半導體產業最為嚴重。因此本研究以物質流分析的方法，探討半導體廠的用水量及廢水產出量，以瞭解水資源在半導體生產活動中的各種流動狀況。分析結果可提供改善的參考，以有效提高半導體廠在水資源上的使用效率。本研究以新竹科學園區的某家半導體廠為實際調查研究的對象，研究中將分析廠區內相關單元的用水及廢水產出量。 本研究發現，每生產一片8吋晶圓，須消耗水約2.8 立方米；每生產一片12吋晶圓，須使用3.0立方米的自來水。由以上數據可觀察到，就用水方面來考量，生產12吋晶圓比生產8吋晶圓更經濟。另外，就目前一噸自來水約12元，而回收一噸化學機械研磨（chemical mechanical polishing, CMP）廢水約需110~135元，廢水廠處理一噸酸鹼廢水需8~10元，含氟廢水約30~35元。就經濟成本上考量，CMP水回收根本不划算。但若再將環境成本也考慮進去的話，則相當程度的回收是需要的；但回收的比例應該訂為多少，則必須考量廢水特性與用水地區的環境條件才算合理。In recent years, owing to industrial development, the water supply inside and around Taiwan’s science parks has run short to the extent that relevant adjustments in water use have become necessary. This phenomenon is accelerated by the continued development of new science parks, particularly with high profit for parks that are home to the so-called high-tech industries. These industries are usually accompanied with environmental costs of high pollution along with high energy and water consumption. Regarding excessive water consumption required for high-tech industries, optoelectronics and semiconductor industries are the most severe. This study explores water consumption and waste water generation in semiconductor factories through material flow analysis so as to better understand the recycling condition of water supply. The analysis can provide a full-scale examination and constructive suggestions for improvement, enhancing the effective use of water supply in semiconductor factories. The present study targets a typical semiconductor factory in Hsinchu Science Park as the subject, analyzing its water consumption and waste water generation. The results of this study show that approximately 2.8 m3 of water is consumed for every 8 inch wafer produced, and 3.0 m3 of water is needed to manufacture a 12 inch wafer. Based on the above statistical results, from the advantage point of water consumption, producing 12 inch wafers is more economical than 8 inch wafers. In addition, at present a metric ton of tap water is around 12 New Taiwan dollars (NTDs)1, and recycling a ton of chemical mechanical polishing (CMP) waste water costs roughly 110 to 135 NTDs. A wastewater plant spends 8 to 10 NTDs treating 1 ton of acid/alkali-containing waste water, and 30 to 35 NTDs dealing with 1 ton of fluorine-bearing waste water. From a purely economic perspective, the recovery of CMP waste water is not feasible. However, if environmental costs are also taken into consideration, a certain degree of recycling is necessary. In any event, stipulation of the required proportion of recycling should take into account the properties of waste water that is to be treated and the environmental conditions, e.g., water availability, of the water-consuming areas.目錄 摘要‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥i Abstract ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ ii 目錄 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥iv 圖目錄 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥vii 表目錄 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥ix 第一章 緒論 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥1 1.1研究緣起 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥1 1.2研究背景 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥2 1.3研究範圍 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥3 1.4研究目的 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥3 第二章 文獻回顧 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥4 2.1工業生態 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥4 2.2物質流分析 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥4 2.2.1物質流理論基礎 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥4 2.2.2 隱藏流 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥5 2.3半導體原理與製程 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥8 2.3.1半導體基本原理 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥8 2.3.2半導體製程 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥9 2.3.2.1黃光微影製程 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥9 2.3.2.2蝕刻製程 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥9 2.3.2.3化學機械研磨製程 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥12 2.3.2.4薄膜製程 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥12 2.3.2.5擴散製程 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥12 2.4 近年來國內半導體及水相關物質流研究 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥13 2.4.1 物質流基本理論相關研究‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥13 2.4.2 半導體相關研究‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥16 2.4.3 水相關研究‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥18 第三章 研究方法 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥20 3.1 物質流分析方法與研究流程 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥20 3.1.1 物質流分析方法‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥20 3.1.2 物質流研究流程‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥20 3.2本研究分析方法及流程‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥20 3.2.1 研究標的選定 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥20 3.2.2 現場訪查與資料取得 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥22 3.2.3 本研究流程 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥22 第四章 水及廢水物質流分析 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥25 4.1訂定系統邊界 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥25 4.2現場訪查 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥25 4.3資料收集‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥25 4.3.1 廠區用水資料調查 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥25 4.3.1.1 超純水系統運作流程 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥29 4.3.1.2 超純水系統單元說明 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥29 4.3.1.3 廠區用水紀錄調 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥39 4.3.2 廠區回收水資料調查 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥39 4.3.2.1智慧型選別回收水系統運作流程 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥50 4.3.2.2 回收水系統單元說明 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥50 4.3.3 廠區廢水資料調查 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥55 4.3.3.1廢水系統運作流程 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥55 4.3.3.2 廢水系統單元說明 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥55 4.3.3.3 廢水系統運作紀錄 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥55 4.3.4 晶片產出資料調查 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥70 4.4 資料分析 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥70 4.4.1廠區用水調查數據‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥70 4.4.2 廠區水回收資料調查 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥70 4.4.3 廠區廢水產出資料調查 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥70 4.5 半導體水及廢水物質流系統 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥70 4.5.1 廠區水平衡圖‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥70 4.5.2 小結‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥70 第五章 結論與建議 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥82 5.1結論 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥82 5.2建議 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥82 參考文獻 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥84 附錄A 中英文對照表‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥A-1 圖目錄 圖2-1. 型態Ⅰ 線性物質流。‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥6 圖2-2. 型態Ⅱ 半循環型物質流。‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥6 圖2-3. 型態Ⅲ 循環型物質流。‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥7 圖2-4. N-type – 加入五價的磷(P)所產生多餘的電子示意圖。 ‥‥‥‥‥‥‥‥10 圖2-5. P-type – 加入三價的硼(B)所產生多餘的電洞示意圖。 ‥‥‥‥‥‥‥‥10 圖2-6. 黃光製程步驟流程圖。 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥11 圖3-1. 產品與製程物質流分析系統模組圖。‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥21 圖 3-2. 物質平衡圖。 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥21 圖3-3. 研究標的位置圖。 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥23 圖3-4. 研究流程魚骨圖。 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥24 圖4-1. 環境系統邊界圖。 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥26 圖4-2. 廠區水系統流程圖。 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥27 圖4-3. 給水系統流程圖。 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥28 圖4-4. 超純水系統流程圖。 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥30 圖4-5. 壓力式過濾器。 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥31 圖4-6. 活性碳塔。 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥31 圖4-7. 離子交換樹脂塔。 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥32 圖4-8. 臭氧殺菌系統。 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥34 圖4-9. UV殺菌系統。 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥34 圖4-10. 微過濾器。‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥35 圖4-11. 分床式離子交換樹脂塔。‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥35 圖4-12. 真空脫氣塔。‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥36 圖4-13. 紫外線殺菌裝置。‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥37 圖4-14. 逆滲透裝置圖。‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥37 圖4-15. 185nm紫外線殺菌裝置。 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥38 圖4-16. 熱交換器。‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥38 圖4-17. 桶型混床離子交換樹脂塔。‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥40 圖4-18. 膜脫氣塔。‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥40 圖4-19. 超過濾器設備。‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥41 圖4-20. 選別回收系統流程示意圖。‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥51 圖4-21. 三向閥及導電度計。‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥52 圖4-23. WWR回收系統。‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥53 圖4-24. AWR回收系統。‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥53 圖4-25. 純水回收處理設備。‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥54 圖4-26. 排水回收處理設備。‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥54 圖4-27. 酸排水回收處理設備。‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥56 圖4-28. AW(L) 與 FW(L)回收設備。‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥57 圖4-29. CMP回收處理設備。‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥58 圖4-30. 逆洗回收沉降槽處理設備。‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥58 圖4-31. 廢(污)水處理設施流程圖。 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥59 圖4-32. 氟酸廢水處理系統。‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥60 圖4-33. 酸鹼廢水處理系統。‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥61 圖4-34. 2005年度用水量。 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥74 圖4-35. 2006年度用水量。 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥74 圖4-36. 2005年度水回收量。 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥76 圖4-37. 2006年度水回收量。 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥76 圖4-38. 2005年度廢水量。 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥78 圖4-39. 2006年度廢水量。 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥78 圖4-40. 8吋廠水平衡圖。‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥79 圖4-41. 12吋廠水平衡圖。 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥79 表目錄 表4-1. 2005年8吋廠自來水用水量統計表 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥42 表4-2. 2005年12吋廠自來水用水量統計表‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥44 表4-3. 2006年8吋廠自來水用水量統計表 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥46 表4-4. 2006年12吋廠自來水用水量統計表‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥48 表4-5. 2005年8吋廠製程廢水及生活污水廢水量統計表 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥62 表4-6. 2005年12吋廠製程廢水及生活污水廢水量統計表‥‥‥‥‥‥‥‥‥64 表4-7. 2006年8吋廠製程廢水及生活污水廢水量統計表 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥66 表4-8. 2006年12吋廠製程廢水及生活污水廢水量統計表‥‥‥‥‥‥‥‥‥68 表4-9. 2005年晶片產出統計表 ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥72 表4-10. 2006年晶片產出統計表‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥72 表4-11. 2005年各月份用水總量統計表‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥73 表4-12. 2006年各月份用水總量統計表‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥73 表4-13. 2005年各月份回收水總量統計表‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥75 表4-14. 2006年各月份回收水總量統計表‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥75 表4-15. 2005年各月份廢水總量統計表‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥77 表4-16. 2006年各月份廢水總量統計表‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥77 表4-17. 2005年單位晶片用水量統計表‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥80 表4-18. 2006年單位晶片用水量統計表‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥813588279 bytesapplication/pdfen-US半導體物質流物質流研究Material Flow Analysisthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/62809/1/ntu-96-P94541203-1.pdf