“CMP”是"Chemical Mechanical Polishing"（化學機械拋光）的縮寫。它利用了磨損中的“軟磨硬”原理，即用較軟的材料來進行拋光以實現高質量的拋光表面，是一種常見的平坦化工藝。

CMP工序

目前，CMP的應用場景相當豐富，尤其集中在集成電路（IC）制造中，是確保不同層之間能夠良好接觸，提高芯片的性能和可靠性的關鍵步驟：

①半導體制造：在半導體工藝中，CMP用于平坦化硅片上的不同層，如氧化物、金屬和多晶硅。

②集成電路制造：在集成電路制造過程中，CMP用于打磨和平坦化晶圓上的金屬層，這些層被用于連接和傳輸電子信號。

③陶瓷和玻璃加工：CMP也用于陶瓷和玻璃制品的加工，例如液晶顯示器（LCD）面板和光學組件。

④磁性材料加工：CMP可用于處理磁性材料，例如硬盤驅動器中使用的磁頭。

⑤其他微納加工應用：在微納加工領域，CMP也可以用于加工MEMS（微電子機械系統）器件和傳感器。

CMP是集成電路制造中的一項關鍵工藝

CMP的具體過程是在一定壓力及拋光漿料存在下，被拋光工件相對于拋光墊作相對運動，借助于納米粒子的研磨作用與氧化劑的腐蝕作用之間的有機結合，在被研磨的工件表面形成光潔表面。研磨液中的化學成分與硅片表面材料產生化學反應，將不溶的物質轉化為易溶物質，或者將硬度高的物質進行軟化，然后通過磨粒的微機械摩擦作用將這些化學反應物從硅片表面去除，溶入流動的液體中帶走。

CMP原理圖

其中，拋光液一般都作為消耗品一次性使用，但隨著CMP市場的擴大，拋光研磨液的排放及后處理工作量也在增大，出于環保原因，即使研磨液不再重復利用，也必須先處理才可以排放。而且，拋光研磨液價格昂貴，如何對拋光研磨液進行后處理，補充必要的化學添加劑，重復利用其中的有效成分，或降級使用，不僅可以減少環境污染，而且可以大大降低加工成本。拋光研磨液的后處理研究將是未來的新研究熱點。

一、CMP廢水的具體成分

CMP廢水是在CMP和CMP后的清潔過程中產生的，一般會包含以下成分：磨料顆粒，如二氧化硅(SiO₂)，氧化鋁(Al₂O₃)，氧化鎂(MnO)，二氧化鈰(CeO₂)和氧化鋯(ZrO₂)，包括金屬CMP的氧化劑，如H₂O₂，CuSO₂和KMnO₄；化學試劑，如表面活性劑，拋光劑，絡合（或螯合）劑和腐蝕抑制劑，也包括在廢水中。根據Lo的研究和之前對CMP的研究，結果可歸納為下表所示。

被排放的廢水中，SiO₂、CeO₂和Al₂O₃這三種成分最為常見的，假若讓它們在使用一次后就釋放到下水道，必然就會成為下水道系統中納米材料的主要來源。

二、CMP廢水的處理

目前，全球大部分城市的工業廢水流程如下圖所示，現場處理中會包括金屬沉淀以及將污染物吸附到沉淀材料兩步，被沉淀的廢渣會被丟棄在垃圾填埋場中。而在現場未被去除的材料會跟隨廢水被排放到市政下水道系統中進入市政污水處理廠，這些處理廠通常會采用能夠去除營養物質（碳，氮和磷）的生物處理手段，但同時也能夠去除納米材料。

城市工業廢水流程圖

但對于半導體工業而言，對待CMP廢水中的納米材料要更為謹慎，除了回收難度高以外，也因為許多國家和地區都有法規規定工廠必須對CMP廢水進行適當的環境安全處理——例如臺灣就規定需回收IC工廠80%的水。

目前，CMP廢水處理工藝主要可分為兩大類：

l化學混凝與深度處理相結合：重力沉淀、膜過濾和化學混凝后的溶氣浮選。

l過濾和電凝的直接使用：超濾、電凝/電傾析或使用外部電場進行微濾。

①重力沉降

重力沉降是一種使懸浮在流體中的固體顆粒下沉而與流體分離的過程，即利用重力分離CMP廢水中的固體和液體。Lo和Lo介紹了陶瓷過濾方法結合化學混凝預處理。Liu等人研究了CMP廢水的溶解氣浮(DAF)，他們提出的處理系統能夠在不到5分鐘的時間內完成浮選反應。Tsai等人提出了一種使用納米氣泡的CMP廢水的混凝工藝，在水力保留時間的1小時內CMP廢水的回收率為10-20%。

②膜過濾

膜過濾工藝是一種物理分離方法，其特點是能夠分離不同大小和特性的物質，是去除化學機械拋光廢水中顆粒物的有效方法之一。目前，膜過濾工藝是深度水處理的一種高級手段，根據膜選擇性的不同，可分為反滲透(RO)、納濾(NF)、超濾(UF)和微濾(MF)等。

超濾膜

Browne 等表明，超濾法可以去除懸浮在 CMP 廢水中的氧化物顆粒。Juang 等同時采用超濾和反滲透分離法兩種分離方法，通過超濾預處理可以去除99% 的細顆粒物。Sanusi等使用各種超濾膜回收廢鎢化學機械拋光漿料。

③電凝

電凝(EC)是一種先進和經濟的水處理方式，電凝的“電”指對于水施加電荷，“凝”指透過改變微粒表面的電荷，使懸浮物形成聚合。近年來該技術發展迅速，因為其能夠去除其他過濾或化學處理技術很難處理的乳化油、總石油烴類物質、頑固有機物、懸浮固體和重金屬等污染。

Belongia等人表明，直徑為200nm的氧化鋁和二氧化硅顆粒可以從懸浮液中沉淀出來。Den和Huang證明，納米尺寸的二氧化硅顆粒可以通過具有垂直通道的連續流EC工藝從CMP廢水中去除。Drouiche等人表明，光伏晶圓制造商的CMP廢水中所含的氧化物顆粒，氟化物和硫酸根離子可以通過EC去除。

④電傾析法

電傾析法(ED)是一種利用電滲析和重力相結合分離膠體（溶膠）成分的技術，其原理是基于膠體電泳遷移的膠體分散，繼而分離、純化。Stamberger使用ED方法來純化和濃縮膠體分散體。他表明，ED是從廢水中有效去除小顆粒的方法之一。貝隆吉亞等同時使用電凝和電傾析法來去除氧化鋁和二氧化硅顆粒。

⑤微濾

一些研究人員提出了一種電微濾方法，以提高CMP廢水的微濾效率。Weigert等人研究了使用聚酰胺膜的錯流電濾，與沒有外部電場的微濾相比能夠顯著提高比滲透率。

三、回收再利用思路

總之，CMP廢水處理無論是對于生態環境還是企業形象都具有重要意義。然而，關于如何再利用從CMP廢水中分離的磨料顆粒，目前業界也沒有定論，只有部分相關研究可供參考——如Lee等人曾將回收的CMP磨料顆粒用于混凝土的制備中，并將CMP污泥混合水泥混凝土的圓柱形試樣與普通水泥混凝土試樣進行了比較，證明使用CMP污泥具有代替部分水泥原料的可行性，是一個相當不錯的示范。

資料來源：

Lee, H., Kim, H. & Jeong, H. Approaches to Sustainability in Chemical Mechanical Polishing (CMP): A Review. Int. J. of Precis. Eng. and Manuf.-Green Tech. 9, 349–367 (2022).

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