摘要

The Strategies and Risk Controls of Tainan Science Park Reclaimed Water Implemented in T-Site TSMC.

南科再生水導入規劃及風險控管對策

關鍵詞/ 再生水3、南科再生水廠、再生水導入、綠色製造5
Keywords / Reclaimed water3,TSMC S.T.S.P. reclaimed water plant,The implement of reclaimed water,Green manufacturing2

台積公司為實現綠色製造,與政府合作建立台積電南科再生水廠,其水體主要來源組成為民生污水與工業廢水回收再利用。為了能夠成功導入製程用水取代自來水,且不影響工廠運轉及晶圓製造,本文以與再生水廠簽訂之21項合約水質為標準,結合台積實驗室、廠務實驗室及奧璐佳瑙公司的合作,規劃一系列的水質檢測及導入規劃,透過持續監測及即時警報、緊急應變安排、系統模擬分析及小型純水機模擬分析之方式,建立導入前的水質指標模型,以達到安全取代自來水目的。

台積電為台灣首座使用再生水的半導體公司,根據小型純水機模擬結果顯示,再生水中含有較高比例的難分解小分子TOC,並透過頻譜分析得出其模擬結果可反應於現行純水系統上,並於最後利用小型純水機實際模擬導入再生水時實際的TOC狀況可以得出,當導入再生水比例越高其小分子TOC對於後段的TOC貢獻將會提高,這也是日後實際導入製程用水後需要更加注意的地方。希望藉由再生水的導入,可成為一項穩定供應的水源並緩解台灣水資源因季節分配不均的問題達到穩定運轉與永續發展的目標。

Due to the "Green manufacturing", TSMC collaborated with government agencies to build up the TSMC Southern Tainan Science Park(S.T.S.P.) Reclaimed Water Plant and manufacture reclaimed water which contains the domestic wastewater and industrial wastewater recycling processes to successfully implement the reclaimed water in advanced semiconductor manufacturing processes. TSMC made the contract about 21 the water quality standards with TSMC S.T.S.P. Reclaimed Water Plant. In addition, collaborating with the department of TSMC laboratory, TSMC facility laboratory and Organo Technology Co, Ltd. to program a series of countermeasures for replacing the city water by reclaimed water implement in advanced semiconductor manufacturing processes. Including continuous monitoring, immediate alarm, arrangement of emergency response, system simulation analysis with ORTOC to build up the water quality index model.

According to the model result, reclaimed water contains the high ratio of LWM TOC(low molecular weight total organic carbon) which can't remove by ORTOC. It's also comparable as UPW(ultrapure water) system by spectrum analysis result. Hence, we use the ORTOC data to estimate the impact when UPW system used the reclaimed water as the feed. The result said the more percentage of reclaimed water implement might contribute the TOC increasing in P.O.U.(point of use) of UPW system, we should pay more attention in it.

TSMC is the first company to implement reclaimed water for semiconductor manufacturing processes in the world. Expecting that reclaimed water can become the stable water resource to solve the problem of seasonal distribution of rainfall and sustainability development.

文字設定:

1. 前言

2021年是近50年來水情最為嚴峻的一年,水對於晶圓製造是不可或缺的,水資源的發展刻不容緩。且近幾年環保意識高漲,發展再生水取代自來水再利用,不但可以增加穩定水源降低旱災帶來的傷害,還可以促進水資源再利用以接近水資源正效益的目標。

水,不只是晶片製造業是不可或缺的原料,也是工廠運轉的血液。台灣雖身處在多雨地區,但因地形緣故,可儲存下來使用的幾乎所剩無幾,再生水資源的使用已刻不容緩。

南科台積電將於今年正式導入再生水取代部分自來水,但因為台積無相關再生水使用的經驗,且晶圓製造對於水質具有十分嚴苛的要求,必須十分謹慎的制定再生水導入計畫與風險管控對策。根據再生水的來源、組成成分及再生水廠的處理方式,制定一系列的水質採樣監測規劃、去除能力模擬、導入時程推演及導入後異常應變計畫,盡可能的降低風險。成功導入後將可以做為後續廠區的範本,不只將有助於再生水使用的接受度,更能夠成為穩定供水的來源。

2. 文獻探討

2.1 國外再生水使用經驗

新加坡國家地狹人稠,水資源匱乏,為達到水資源自給自足,早在1972年便致力於研究再生水(NEWater)技術,其中同為半導體廠之SSMC於2003年一月起便逐步導入再生水(NEWater)於工業用水使用,於當年度四月即達成100%再生水使用(圖1)。

圖1、新加坡SSMC使用再生水(NEWater)比例

2.2 國外使用再生水對於晶圓製造之影響評估

新加坡SSMC於再生水導入前針對Wafer使用來源水為再生水之超純水(NEWater as a feed to deionized water, NDIW)與來源水為自來水之超純水(Industrial water as a feed to deionized water, FDIW)進行批次實驗,用以驗證使用NDIW並不會影響製程,如 表1表2圖2。其分別使用CD(Critical Dimension)、Tilt SEM及Defectivity scan進行wafer分析,結果顯示使用NDIW與FDIW並無差異,故半導體廠使用再生水作為水源對於製成端來說並無影響。

表1、SSMC CD data
water   Site 2 Site 3 Site 4 Site 5 Site 6 Mean Range
NDIW   217.8 219 220.1 220.5 217.2 217.9 7.7
FDIW   219.3 217 221.9 217.9 216.8 217.6 9
Delta   -1.5 2 -1.8 2.6 0.4 0.3 1.3
表2、SSMC defectivity scan result
  NDIW FDIW  
Extra Active pattern 1 6
Particle 0 3
Unclassified 0 0
Total 1 9

圖2、SSMC Tilt SEM pictures。上圖為NDIW;下圖為FDIW

2.3 國外使用再生水對於純水系統處理水質之影響評估

新加坡SSMC導入NEWater前針對該水體進行非直接式的尿素分析,透過取樣NDIW與FDIW於實驗室照射UV檢測水中NO32-濃度用以回推水體中尿素(Urea)濃度,結果顯示含再生水之NDIW約比FDIW多出10倍的尿素濃度,從SSMC純水供應端水質TOC趨勢圖來看(圖3),於2003年四月再生水100%導入後其TOC濃度baseline有墊高0.1~0.15ppb,但原水水池的TOC卻是趨勢向下的(圖4),水體內較難去除的小分子TOC將是未來再生水導入的一大課題。

然而,由 圖5圖6可知,新加坡SSMC之再生水相較於自來水而言有較低的導電度與矽離子濃度,也因此導入後有效的降低了純水系統樹脂再生所需的化學品使用量,也延長了樹脂產水的週期。

圖3、SSMC供應端TOC濃度趨勢圖

圖4、SSMC原水TOC濃度趨勢圖

圖5、SSMC原水矽離子濃度趨勢圖

圖6、SSMC原水導電度濃度趨勢圖

3. 研究方法

3.1 導入前相關再生水水質檢測項目規劃

園區再生水廠提供7項即時監測水質(導電度、pH、濁度、硼、氨氮、總有機碳、尿素),以及21項offline實驗室檢測數據,並透過再生水廠雲端server將數據傳至台機廠務端,將水質建立至SCADA即時監控,並以All chart系統進行管理(圖7)。

水質檢測採分段檢測,分別設立於不同來源配水池及總配水池,若水質異常時可回朔查找問題並將問題水源切離,如 圖8再生水流向圖所示,市政再生水從安平/永康再生水廠產水至南科再生水廠配水池入出口皆設有監測點(表3),透過即時監控數據便可即時掌握水質狀況,只要有任一項水質不符合標準即切離,層層把關以確保供應水質穩定。

除Online的7項水質指標外,根據園區再生水廠承諾的25項水質指標(表3)進行offline取樣檢測,針對其中21項於再生水廠實驗室每日監測外,每月會將水樣同步送往工研院、南臺灣環境科技公司、台灣檢驗科技公司(SGS)進行水質比對,以確保水質檢測正確性。

圖7、再生水質資料通訊架構

圖8、再生水流向圖

表3、園區再生水廠承諾的25項水質指標
項目 單位 水質標準 On-line Monitor Plan檢測單位
永康/安平 南科 自檢 SGS 工研院
1 溫度 °C 15~35 15~35   V    
2 導電度 ¢S/cm <250 <250 V V    
3 pH - 6.0~8.5 6.0~8.5 V V    
4 濁度 NTU <0.3 <0.3 V   V  
5 懸浮性固體 mg/L <1.0 <1.0     V  
6 硬度 mg/L as CaCO3 <50 <50     V  
7 氨氮 mg/L <0.5 <0.5 V   V  
8 氟鹽 mg/L <15 <15     V  
9 亞硝酸氮 mg/L <0.1 <0.1     V  
10 硝酸鹽氮 mg/L <10 <10     V  
11 正磷酸鹽 mg/L <0.5 <0.5     V  
12 總溶解固體物 mg/L <150 <150     V  
13 硫酸鹽 mg/L <45 <45     V  
14 mg/L <0.05 <0.05     V  
15 mg/L <0.005 <0.005     V  
16 mg/L <0.05 <0.05     V  
17 鹼度 mg/L <30 <30     V  
18 化學需氧量 mg/L <4.0 <4.0     V  
19 大腸桿菌群(濾膜法) CFU/100mL - <1     V  
20 mg/L <0.1 <0.1 V   V  
21 總有機碳 mg/L <1.0 <0.5 V     V
22 尿素 mg/L <0.005 <0.005 V     V
23 丙酮 mg/L as C   <0.020       V
24 異丙醇 mg/L as C   <0.020       V
25 中性小分子有機物 mg/L as C   <0.150       V

3.2 導入前相關應變流程規劃

針對再生水導入時相關水質異常時的應變方式撰寫於F-CWT-04-03-005 300MM FACILITY CW SHORTAGE EMERGENCY RESPONSE PROCEDURE O.I.(圖9),其中規範南科再生水廠總配水池出口之七項水質指標任一項無法達到則無法供應台積廠區(表4),廠內可透過再生水廠回傳數據於SCADA做即時監控並設置警報,若有水質異常可立即啟動應變程序。此外,廠內端於再生水管路進水端架設TOC分析儀器做即時監控,若TOC>0.5ppm時便會啟動應變機制,將水打往Recycled water tank(RCW tank)供次級用水使用。

以F14P3為例(圖10),若再生水供水水質異常影響純水系統水質,立即將P3純水自來水來源改以P4工業水池供應,將來源切為乾淨水源,依汙染的程度決定置換水體的單元,若汙染影響僅發生於中段處理流程,則可分別透過2 Bed 3 tower(2B3T)以及Reverse osmosis(RO)處理系統切至廢水系統的方式將Filtered water tank(FW tank)及deionized water tank(DI tank)污染的水體排放到廢水,藉此加速置換系統內受汙染的水體,若汙染影響到後段處理流程,則需透過將UPW Return回水切往廢水系統的方式進行Ultra pure water tank(UPW Tank)水質置換,盡速將供應水質復歸。

圖9、F-CWT-04-03-005再生水影響純水系統之緊急應變流程(以F14P34為例)

表4、南科台積廠外再生水廠總配水池監控項目
南科台積廠外再生水廠總配水池監控項目
監控項目 導電度 pH 濁度 氨氮 TOC 尿素 pH
水質標準 <250 6~8.5 <0.3 <0.5 <0.5 <0.1 <0.005 6~8.5
水質單位 us/cm - NTU ppm ppm ppm ppm -
檢測頻率 即時On-line monitor

圖10、F14P3再生水汙染純水系統換水流程圖(左圖為中段處理單元緊急應變/右圖為後段處理單元緊急應變)

3.3 分批且階段導入並對水質與產品進行影響驗證規劃

為確保再生水導入初期水質穩定,與台積實驗室(CHAD)及廠務水質分析實驗室合作,在再生水導入初期於純水系統供應端加強金屬離子及陰離子檢測,導入第一週前三天每12小時檢測一筆,後四天每天檢測一筆,第二週起每周檢測一筆到第五週結束,並從永康再生水廠試營運開始時,透過連續及多筆於再生水廠監測池取樣送測的方式建立分析量能,以CHAD及廠務實驗室的分析數據與再生水廠的線上分析儀器比對,確保試運轉期間連續30天供水水質穩定後,才會導入廠區自來水池用於製程(表5)。

工廠端的部分依照製程的不同也分別定義各自加強檢測的項目,透過差異分析對比再生水導入後對產品的影響(表6)。

表5、純水供應端加強檢測之金屬離子及陰離子水質標準
Metal Na Mg AI Ca Cr Fe Co Ni Cu Zn Ag Pb K Au Cl-
Spec.(ppt) <0.2 <0.5 <0.5 <1 <1 <1 <0.2 <0.5 <0.5 <1 <0.5 <1 <0.5 <1 <50

 

 

IC F- Cl- NO2- Br- NO3- PO43- SO42- NH4+
Spec.(ppt) < 0.05 < 0.05 < 0.05 < 0.05 < 0.05 < 0.05 < 0.05 < 0.05
表6、各製程定義加強檢測項目
Department Impact scope Offline monitor Release Plan
DIF1 Exhaust drain pipe & parts clean Follow PM MON WAT/CP
DIF2 Process & cooling Follow PM MON KLA/WAT
DIF3 Process Follow PM MON KLA/WAT/CP
ETC2 Process Follow PM MON KLA/WAT/CP
PVD Process & cooling Follow PM MON KLA/WAT/CP
CMP Process Follow PM MON KLA/WAT/CP
LIT1 Process Follow PM MON KLA/WAT/CP
LIT2 Process Follow PM MON KLA/WAT/CP
LIT3 Process Follow PM MON KLA/WAT/CP

4. 結果分析

4.1 小型純水機(ORTOC)的介紹與原理

與純水系統製造商日商奧璐佳瑙科技股份有限公司合作,透過其自行研發的小型純水機(ORTOC),如 圖11,分別供以自來水及再生水模擬實際導入後對於純水系統對於TOC的影響,其原理透過RO搭配高級氧化處理單元(Advanced Oxidation Processes, AOP),可以有效地層別出組成複雜的TOC,並於2019年時透過ORTOC分析台南自來水與高雄再生水,如 表7所示,結果顯示與新加玻SSMC資料相符,再生水相較於自來水有較低的總TOC,卻有較高的難分解TOC比例。

圖11、小型純水機(ORTOC)實景照片

表7、ORTOC層別TOC組成數據結果
地點 取樣時間

Total TOC

(ppb)

Easy TOC

(ppb)

Normal TOC

(ppb)

Difficult TOC

(ppb)

台南自來水 2019/3/6 806 775 18 13
組成比例 96% 2% 2%
高雄再生水 2019/3/20 72 17 33 22
組成比例 24% 46% 31%

4.2 以小型純水機(ORTOC)架設於F14P3與純水系統水質穩定度比較

2022年4月期間,將ORTOC架設於F14P3工業水池出口端,並於ORTOC的RO以及AOP處理單元後架設Sievers 500 TOC分析儀連續監測TOC,進行水質穩定度測試,如 圖12圖13顯示,ORTOC與F14P3純水系統各單元的TOC表現穩定度一致,ORTOC於F14P3工業水池出口為來源水所測出的出口TOC約落在1.84(±0.15) ppb。

除此之外,將ORTOC架設於F14P3工業水池的產水取水與F14P2純水系統各處理單元取水委託奧璐佳瑙公司以液相層析儀搭配有機物偵測器(Liquid Chromatography-Organic Carbon Detection, LC-OCD)進行水樣內有機物成份分析,透過不同分子量於流洗液的停留時間差將水體內的有機物層別出來,分析結果如 圖14所示,ORTOC各單元產水中水體內的有機物組成與F14P2純水系統各單元組成接近,因此可藉由ORTOC推估線上純水系統各單元的TOC去除表現性,值得注意的是,如 圖14紅框處,純水系統對於低分子量有機物(Low-Molecular Weight Neutrals, LMW Neutrals)去除表現不佳,全譜分析圖中所得各類TOC分子量如 表8所示。

圖12、ORTOC架設於F14P3時TOC數據

圖13、F14P3純水系統各單元TOC數據

圖14、(左)ORTOC各單元TOC全譜分析(F14P3 ICW as feeded)(右)F14P2各單元TOC全譜分析

表8、全譜分析圖中各類TOC分子量
Component 分子量 (g/mol)
Biopolymers 100,000~2,000,000
Humic 500~1,200
Building Blocks 300~450
LWM Acids and HS <350
LWM Neutrals <350

4.3 以小型純水機(ORTOC)預估再生水導入後對於純水系統的表現

ORTOC與F14P3純水系統相比後驗證了各單元之TOC去除率表現相符後,將ORTOC改架設於南科再生水廠內的永康監測池及南科監測池,分別層別出永康再生水(市政再生水)及南科再生水(工業再生水)的TOC。

此外,同步架設由奧璐佳瑙公司所研發之尿素分析儀(ORUREA)量測水中尿素水質,連續監測後得出ORTOC產水之TOC與尿素濃度,如 表9及 表10中所述,在以永康再生水為來源水經過ORTOC後的產水TOC約落在2.90(±0.11)ppb,以南科再生水為來源水的ORTOC產水TOC則落在3.55(±0.13)ppb,因廠內工業水池會經過加藥系統去除尿素,故將ORUREA所測出的尿素濃度換算成TOC後將讀值扣除後,得出去除尿素後的ORTOC的產水TOC濃度分別為以永康再生水為原水:2.60(±0.11)ppb;以南科再生水為原水:2.49(±0.23)ppb。

透過ORTOC架設於F14P3時的產水TOC數據與再生水為來源水時的產水TOC,並考慮製程回收水DIR後,按比例推估得出再生水導入後對於供應端TOC上升的程度預估,結果如 表11所示,以小型純水機ORTOC模擬結果得出,不管是市政再生水或者是工業再生水,隨著再生水導入工業水池的比例越高,對於純水系統供應端的水質影響越大。

如4.2文章所述,純水系統對於低分子量有機物(LWM Neutrals)去除能力較差,推測模擬結果造成TOC上升之來源為LWM Neutrals所影響,此結果應可作為後續再生水導入於製程用水後之參考依據,實際情形仍待批次導入後,以線上TOC分析儀數據為主。

表9、ORTOC產水TOC及尿素濃度(Feeded as 永康再生水監測池)
ORTOC產水TOC(ppb) RO出口 AOP出口 尿素濃度as C AOP出口 (去尿素後)
平均值 13.90 2.90 0.3 2.60
標準差σ 1.36 0.11 0.01 0.11
4.08 0.32 0.02 0.34
表10、ORTOC產水TOC及尿素濃度(Feeded as 南科再生水監測池)
ORTOC產水TOC(ppb) RO出口 AOP出口 尿素濃度as C AOP出口 (去尿素後)
平均值 26.8 3.55 1.06 2.49
標準差σ 1.29 0.13 0.10 0.23
3.87 0.38 0.31 0.69
表11、以ORTOC檢測再生水推估純水系統供應端TOC
F14P3 UPW UF 出口TOC 預估(永康再生水導入評估)
再生水水量(CMD) 0 1000 2500 4500 5000 6500 7500 8500 9500 12000  Remark
自來水水量(CMD) 12000 11000 9500 7500 7000 5500 4500 3500 2500 0  
再生水佔工業水池比例 0% 8% 21% 38 % 42% 54% 63% 71% 79% 100%  
ORTOC(永康再生水)TOC(ppb) 1.84 1.90 2.00 2.13 2.16 2.25 2.32 2.38 2.44 2.60  
ORTOC(F14P3)TOC(ppb) 1.00 1.03 1.09 1.15 1.17 1.22 1.26 1.29 1.33 1.41  
平均值(ppb) 0.400 0.408 0.421 0.437 0.441 0.454 0.462 0.470 0.478 0.499 DIR 40%
平均值 +3σ 0.433 0.441 0.454 0.470 0.474 0.487 0.495 0.503 0.511 0.532  

 

 

F14P3 UPW UF 出口TOC 預估(南科再生水導入評估)
再生水水量(CMD) 0 1000 2500 4500 5000 6500 7500 8500 9500 12000 Remark
自來水水量(CMD) 12000 11000 9500 7500 7000 5500 4500 3500 2500 0  
再生水佔工業水池比例 0% 8% 21% 38 % 42% 54% 63% 71% 79% 100 %  
ORTOC(南科再生水)TOC(ppb) 1.84 1.89 1.98 2.08 2.11 2.19 2.25 2.30 2.35 2.49  
ORTOC(F14P3)TOC(ppb) 1.00 1.03 1.07 1.13 1.15 1.19 1.22 1.25 1.28 1.35  
平均值(ppb) 0.400 0.407 0.418 0.432 0.435 0.446 0.453 0.460 0.467 0.485 DIR 40%
平均值 +3σ 0.433 0.440 0.451 0.465 0.468 0.479 0.486 0.493 0.500 0.518  

5. 結論

5.1 再生水導入前之風險評估對策結論

本文藉由一開始借鏡SSMC成功導入市政再生水之案例,並於導入前訂定21項合約水質檢測方式及標準,透過7項線上水質分析儀連續監測再生水水質,透過雲端傳輸資料的方式將即時數據導回台積電廠務端,即時監控再生水供應品質,並於導入製程用水前規劃緊急應變流程,讓值班人員能夠於再生水供應異常時做即時的緊急應變處理。

除此之外,藉由與台積實驗室及廠務實驗室的合作確保水質檢測數據的準確度,並於導入製程用水初期加強水中金屬離子及指標性陰離子的濃度檢測,同步工廠端加強製程端的產品檢證分析,達到安全且穩定的再生水導入。

最後,再依據ORTOC模擬導入再生水後的TOC狀況,結果顯示除了尿素外,尚有仍未定義出之小分子TOC在再生水導入於製程用水後有上升13~15%,也是未來需要多加留意之處,雖然如此,實際TOC的狀況仍需透過實際導入後才能知道結果。

5.2 台積電整體再生水導入時程與未來展望

台積電為建立多元用水供應策略,將民生污水與工業廢水回收轉製再生水,成為自來水替代水源,達成水資源永續目標,降低自來水用水占比,還水於民,減少旱季對農業、民生的影響及工業用水的衝擊。

如 圖15所述,截至2022年八月,於永康再生水廠試營運期間,已成功導入再生水用於廠內次級用水,平均每天以達4800噸的再生水使用量,預計2025年後每日使用再生水量達67,000噸。

台積電南科工業再生水廠為全國首座民營再生水廠,以廠務運轉經驗並輔導第三方經營單位營運供水,建立符合晶圓製造標準的供水品質與穩定度,實現永續水資源的目標。

圖15、再生水導入南科各廠時程表

參考文獻

  1. Paul Tan & Harry Seah(2016) Impact of Newater as Feedwater for the Production of Ultra-High-Purity Deionized Water and Manufacturing Process. FUTURE FAB International Issue 16,115-119.

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