申请日2004.03.23
公开(公告)日2005.06.01
IPC分类号C02F1/00; H01L21/302; H01L21/304; B01D24/00
摘要
一种水处理方法，可除去CMP废水中所含的溶胶状微粒以及含氮组分，具体为利用具有凝胶状的第2过滤器的过滤装置(13)进行过滤处理，除去CMP废水中的溶胶状微粒成分。另外通过利用电极(12)进行电化学处理，可以除去CMP废水中的含氮组分。这些过滤处理以及电化学处理，可以使用独立的槽进行，也可以在同一槽中进行。通过在同一槽内进行过滤处理以及电化学处理，可以提供节省空间的水处理装置。
权利要求书
1.一种水处理装置，其特征在于，具有：由浸渍在含被除去物的流体内的 第1过滤器和由吸附在其表面上的凝胶膜组成的第2过滤器构成的过滤 装置、及利用电化学方法从所述流体中除去含氮化合物的一对电极。
2.如权利要求1所述的水处理装置，其特征在于，在收容有所述流体的第 1槽上安装有所述电极，在收容有利用所述电极处理过的所述流体的第 2槽上安装有所述过滤装置。
3.如权利要求1所述的水处理装置，其特征在于，所述过滤装置以及所述 电极被安装在同一槽上。
4.如权利要求1所述的水处理装置，其特征在于，在收容所述流体的第1 槽上安装有所述过滤装置，收容利用所述过滤装置处理过的所述流体的 第2槽上安装有所述电极。
5.如权利要求1所述的水处理装置，其特征在于，利用所述过滤装置过滤 所述流体中所含的胶状微粒，并利用所述电极除去所述流体中的含氮化 合物。
6.如权利要求1所述的水处理装置，其特征在于，构成所述电极中的阴极 的金属材料为含周期表第1b族、第2b族或者第8族元素的导电体或者 将第1b族、第2b族或者第8族元素包覆在导电体上而成的材料。
7.如权利要求1所述的水处理装置，其特征在于，所述过滤装置具有通过 第1管道吸引所述流体的泵及将从所述泵流出的过滤流体抽出到所述 槽外的第2管道，在所述槽内浓缩所述流体的所述被除去物。
8.如权利要求1所述的水处理装置，其特征在于，所述过滤装置由筛框、 由该筛框支持其周边的第1过滤器以及吸附在所述第1过滤器表面上的 所述第2过滤器构成。
9.如权利要求1所述的水处理装置，其特征在于，所述被除去物为CMP 料浆。
10.如权利要求1所述的水处理装置，其特征在于，所述流体是含铟或者 铟化合物的溶液。
11.一种水处理方法，其特征在于，通过用形成在第1过滤器表面上的凝 胶状的第2过滤器过滤流体，除去被除去物的微粒成分，并利用电化学 方法除去所述流体中所含的含氮化合物。
12.如权利要求11所述的水处理方法，其特征在于，在处理所述含氮化合 物之后，除去所述微粒成分。
13.如权利要求11所述的水处理方法，其特征在于，在除去所述微粒成分 之后，处理所述含氮化合物。
14.如权利要求11所述的水处理方法，其特征在于，在处理所述含氮化合 物的同时，除去所述微粒成分。
15.如权利要求11所述的水处理方法，其特征在于，在电化学方法中，将 一对电极浸渍在所述流体中并通电，对所述含氮化合物进行处理。
16.如权利要求11所述的水处理方法，其特征在于，在所述流体中添加卤 离子或者含卤元素化合物之后，利用所述电化学方法对所述含氮化合物 进行处理。
17.如权利要求16所述的水处理方法，其特征在于，利用所述电化学方法 生成所述微粒的凝聚粒子，并用所述第2过滤器过滤该凝聚粒子。
18.如权利要求11所述的水处理方法，其特征在于，利用胶状的所述微粒 成分形成所述凝胶膜。
19.如权利要求11所述的水处理方法，其特征在于，所述被除去物是CMP 料浆。
20.如权利要求11所述的水处理方法，其特征在于，所述流体是含铟或者 铟化合物的溶液。
21.一种水处理装置，其特征在于，具有：含有能洗提出可与流体中所含 的被除去物结合的凝聚性离子的金属的电极、以及用于过滤所凝聚的流 体中的被除去物的过滤装置。
22.一种水处理装置，其特征在于，具有：通过洗提出可与被除去物结合 的凝聚性离子从而形成直径大于所述被除去物的凝聚物的电极、以及用 于过滤所述凝聚物的过滤装置。
23.如权利要求21或者22所述的水处理装置，其特征在于，所述过滤装 置由浸渍在含被除去物的流体内的第1过滤器及由吸附在其表面上的 凝胶膜形成的第2过滤器构成。
24.如权利要求23所述的水处理装置，其特征在于，利用所述被除去物的 凝聚物形成所述凝胶膜。
25.如权利要求21或者22所述的水处理装置，其特征在于，作为所述电 极材料，可以采用周期表的第8族或者含第8族的导电体或者包覆有第 8族或者含第8族的导电体的导电体。
26.如权利要求21或者22所述的水处理装置，其特征在于，作为所述电 极材料可以采用铁。
27.如权利要求21或者22所述的水处理装置，其特征在于，在收容所述 流体的第1槽上安装有所述电极，收容用所述电极处理过的所述流体的 第2槽上安装有所述过滤装置。
28.如权利要求21或者22所述的水处理装置，其特征在于，所述过滤装 置以及所述电极被安装在同一槽上。
29.如权利要求21或者22所述的水处理装置，其特征在于，所述过滤装 置具有通过第1管道吸引所述流体的泵和将从所述泵流出的过滤流体 抽到所述槽外的第2管道，在槽内浓缩所述流体的所述被除去物。
30.如权利要求21或者22所述的水处理装置，其特征在于，所述过滤装 置由筛框、由该筛框支持其周边的所述第1过滤器以及吸附在所述第1 过滤器表面上的所述第2过滤器构成。
31.如权利要求21或者22所述的水处理装置，其特征在于，利用所述电 极的电化学作用除去流体中所含的含氮化合物。
32.一种水处理方法，其特征在于，通过洗提出凝聚性离子而使流体中所 含的被除去物凝聚，进而利用过滤装置过滤所凝聚的被除去物。
33.一种水处理方法，其特征在于，通过洗提出凝聚性离子，生成直径大 于流体中所含的被除去物的凝聚物，进而利用所述过滤装置过滤所述凝 聚物。
34.如权利要求32或者33所述的水处理方法，其特征在于，在第1过滤 器的表面上形成由所述凝聚物组成的凝胶状的第2过滤器，利用所述第 2过滤器进行过滤。
35.如权利要求32或者33所述的水处理方法，其特征在于，在所述流体 中添加卤离子或者含卤离子化合物。
36.如权利要求32或者33所述的水处理方法，其特征在于，利用电化学 方法处理所述流体中所含的含氮化合物。
37.如权利要求32或者33所述的水处理方法，其特征在于，所述凝聚物 为铁二氧化硅高分子化合物。
说明书
水处理装置以及使用该装置的水处理方法
技术领域
本发明涉及一种水处理装置以及使用该装置的水处理方法，具体涉及对含非常细微的被除去物以及含氮组分的水进行处理的水处理装置以及使用该装置的水处理方法。
背景技术
目前，减少工业废弃物以及将工业废弃物分离再利用或者不使工业废弃物被排放到自然界中，是生态学上的重要主题，也是21世纪企业所要解决的课题。这里的工业废弃物中包括含被除去物的各种各样的流体。这些可以用污水、废水、废液等各种词汇来表述，但在下文中将于水或者药品等流体中含有被除去物质的称其为废水。可以利用高价过滤装置等除去这些废水中的上述被除去物，使废水变为干净水再予以利用，分离的被除去物或者没有被过滤的剩下的物质作为工业废弃物进行处理。特别是水可以经过过滤达到满足环境标准的干净的状态后返回到河流或者海等自然界中或者被再利用。但是从过滤处理等的设备费、运行成本方面考虑，很难采用这些装置，而且也会造成环境问题。从这些方面可知，废水处理技术无论从环境污染方面还是从回收的角度考虑，均是重要的问题，迫切希望开发出低原价、低运行成本的处理系统。
下面以在半导体领域的废水处理作为一例进行说明。一般地，在对金属、半导体、陶瓷等板状体进行磨削或者研磨时，考虑到需要防止由摩擦引起的研磨(磨削)夹具等的温度上升、提高润滑性、以及磨削屑或者切削屑附着在板状体上等的问题，通常利用水等液体喷淋到研磨(磨削)夹具以及板状体上。具体为，在对作为半导体材料板状体的半导体晶片进行切割、后研磨时，采用的是用纯水冲洗的方法。为了防止切割装置的割刀温度上升，且为了防止切割屑附着在晶片上，在半导体晶片形成纯水流，或者安装放水用喷嘴以使纯水接触于割刀，进行喷淋。另外通过后研磨使晶片变薄的时候，也因为同样的理由利用纯水进行冲洗。从上述的切割装置以及后研磨装置中排出的混有磨削屑或者研磨屑的废水，通过过滤变为干净水返回到自然界中或者被再利用，而浓缩的废水被予以回收。
在目前的半导体制造中，作为混有以Si为主体的被除去物(屑)的废水处理方法，通常有凝聚沉淀法、组合过滤器和离心分离机的方法这两种。前者的凝聚沉淀法是将PAC(聚氯化铝)或者Al2(SO4)3(硫酸铝)等凝聚剂混入到废水中，与Si生成反应物，通过除去该反应物对废水进行过滤。后者，是将过滤器与离心分离机进行组合使用的方法，在过滤废水之后，将浓缩的废水通过离心分离机分离，将硅屑作为污泥进行回收，同时过滤废水，之后将干净的水排放到自然界中或者再利用。例如在图16中所示，将在切割时产生的废水收集到原水槽201中，利用泵202送到过滤装置203中。过滤装置203中由于安装有陶瓷类以及有机物类的过滤器F，经过滤的水经过配管204被送到回收水槽205中，被再利用或者排放到自然界中。
另一方面，过滤装置203中由于过滤器F上会发生孔眼堵塞，因此需要定期地清洗。例如将原水201一侧的阀B1关闭，打开阀B3和用于从原水槽传送出清洗水的阀B2，利用回收水槽205的水逆清洗过滤器F。由此产生的混入有高浓度Si屑的废水回到原水槽201中。另外浓缩水槽206中的浓缩水，通过泵208被输送到离心分离机209中，利用离心分离机209分离为污泥和分离液。由Si屑组成的污泥，被收集在污泥回收槽210中，分离液被收集在分离液槽211中。进而，收集有分离液的分离液槽211的废水，通过泵212被输送到原水槽201中。这些方法也可以在回收例如在磨削、研磨以Cu、Fe、Al等金属材料为主要材料的固体物质或者板状体、由陶瓷等无机物制成的固体物质或者板状体等时生成的废屑时使用。
另一方面，作为新的半导体加工技术，出现了CMP(Chemical-Mechanical Polishing)。由该CMP技术所带来的是，①平坦的装置面形状的实现和、②与基板不同材料的嵌装式结构的实现。
①是，利用光刻技术的形成具有良好精度的微细图案的技术。另外通过与硅晶片的贴合技术等并用，可以实现三维IC。
②是，可以实现嵌装式结构的技术。以往在集成电路的多层配线中，一般采用的是钨(W)嵌装技术。即，在层间膜的沟中利用CVD法嵌入W，并经过蚀刻使表面平坦化，但最近常使用CMP法使其平坦化。作为该嵌装技术的应用，有如金银线织锦缎(damassin)加工、元件分离。该CMP技术以及应用，详细记载在“科学论坛”(science forum)发行的“CMP科技”中。
参照图17，简单说明CMP结构。在旋转底板250上的研磨布251上放置半导体晶片252，边流淌研磨材料(浆料)边通过相对摩擦，进行研磨加工，通过化学蚀刻使晶片252表面的凹凸消失。通过研磨材料253中的溶剂的化学反应以及研磨布与研磨剂中研磨磨料的机械研磨作用下使其平坦化。作为研磨布251，可以使用例如发泡聚氨酯、无纺布等，研磨材料是将二氧化硅、氧化铝等研磨磨料混合在含pH调节剂的水中的物质，因此一般情况下称其为料浆。边流淌该浆料253，边将旋转的晶片252以一定的压力与研磨布251进行摩擦。另外，254是用于维持研磨布251的研磨能力的结构，是常常修整研磨布251的表面的修整部(dressing)。另外202，208，212为马达，255～257为传送带。
如图18所示，上述构造构成为一个系统。该系统可大致分为晶片盒的装载·卸载台260、晶片移栽机构部261，图17说明的研磨机构部262、晶片清洗机构部263以及控制这些的系统控制部。首先装有晶片的盒子264，被安装在晶片盒·装载·卸载台260上，盒264内的晶片被取出。接着，用晶片移栽机构部261，例如用机械手265保持上述晶片，放置在设在研磨机构部262上的旋转底板260上，并利用CMP技术使晶片平坦化。结束平坦化操作之后，为了进行料浆清洗，用上述的机械手266将晶片移到晶片清洗机构部263上，进行清洗。然后将已清洗的晶片收容到晶片盒266中。
例如，在1次操作中使用的料浆量约为500cc～1升/晶片。另外上述研磨机构部262、晶片清洗机构部263上有纯水流淌。然后这些废水最终会在废水管中聚到一起，在1次平坦化操作中约排出5升～10升/晶片的废水。例如为3层金属时，金属的平坦化与层间绝缘膜的平坦化中要进行约7次的平坦化操作，到完成一块晶片时要排出5～10升的7倍的废水。因此，使用CMP装置时，我们可以知道会排出相当量的被纯水稀释的料浆。而且由于这些废水是胶态溶液，所以通常利用凝聚沉淀法进行处理。还有，适用于氧化膜的CMP料浆中含有氨。因此，在CMP装置中产生的废水中含有氨等含氮组分。一般对这些含氮组分可以进行生物处理，即通过首先将氨态的氮转变为硝酸态的氮的硝化工序以及将硝酸态的氮变换为氮气的脱氮工序的这2步工序进行。
但是，若要将在凝聚沉淀法中作为凝聚剂投入的化学药品控制在一定的药品量而使其完全反应，则非常困难，无论如何也会过量地投入药品，因此存在残留有未反应药品的问题。相反，当药品的量较少时，不能凝聚沉降所有的被除去物，而残留有没有被分离的被除去物。特别是在药品量过多时上部清夜中会残留有药品，当对此进行再利用时，由于在过滤流体中残留有药品，因此不能使用于对化学反应过敏的物品上。
另外药品与被除去物的反应产物为絮凝物，生成方式恰似藻类的浮游物。就形成该絮凝物的条件而言，对pH条件的要求很严格，必须要求有搅拌机、pH测定装置，凝聚剂加入装置以及控制这些的控制机构等。另外，若要使絮凝物稳定沉降，必须使用大的沉淀槽。例如要产生3立方米/小时的废水处理能力，必须使用直径3米、深4米左右的槽(约15吨的沉降槽)，整个系统占地约11m×11m，是规模较大的系统。但是也有不沉淀在沉淀槽中而浮游的絮凝物，这些有可能从槽中流出到外部，从而难以全部回收。总之，存在设备较大、该系统的原价较高、水的再利用较难、由于使用药品而使运行成本较高等问题。
另一方面，如图6所示，在组合使用5立方米/小时的过滤器与离心分离机的方法中，由于作为过滤装置203而使用过滤器F(所谓的UF模块，由聚砜类纤维构成的结构或者陶瓷过滤器)，可以再利用水。但是过滤装置203上安装有四个过滤器F，从过滤器F的寿命来看，约50万日元/个的高价过滤器必须至少一年更换一次左右。而且，由于过滤器F采用的是加压型的过滤方法，因此过滤装置203前面的泵202中会因过滤器的孔眼堵塞而造成马达负荷的增大，所以泵202为高容量。另外，通过过滤器F的废水中约2/3左右会返回到原水槽201中。进而由于通过泵202输送混入有被除去物的废水，因此泵202的内壁会被削减，使泵202的寿命非常短。
综合这些方面来讲，由于马达非常耗电，且泵P以及过滤器F的更换费用很高，从而使得运行成本变得非常高。进而，在CMP的切割加工中，会排出相对较多的废水。而料浆在流体中呈胶态分布，由于布朗运动不容易沉降。而且混入到料浆中的磨料的粒径在10～200nm的极微细范围内。因此，在用过滤器过滤这些由微细磨料组成的料浆时，磨料会侵入到过滤器的孔中，会立即引起孔眼堵塞，由于孔眼堵塞发生频繁，从而不能大量处理废水。另外，从CMP装置排出的废水中含有氨等含氮组分，目前是通过生物处理方法除去该含氮组分。因此必须使用两个反应槽，同时由于处理时间较长使得处理效率下降。此外，在该生物处理中为了保持脱氮细菌，必须采用大容量的无氧槽，从而会导致设备建设成本升高，装置设置面积的增大等问题。进而，该脱氮细菌会明显地受到周围温度环境以及其他被处理水中所含成分等的影响，特别是在温度较低的冬季，会存在活动下降、脱氮作用下降、处理效率不稳定等严重的问题。还有，CMP料浆中所含的磨料的粒径通常为100纳米左右，作为新出现的CMP方法所使用的干CMP中使用的磨料为粒径在20到30纳米左右的极微细粒子。因此这种粒子的分离非常困难。
发明内容
因此，本发明的目的就是提供一种对含有如CMP废水等微粒以及含氮组分的流体进行处理的水处理装置以及使用该装置的水处理方法。进而本发明的另一目的是提供一种组合了利用电化学处理的凝聚和过滤处理的废水处理装置以及使用该装置的废水处理方法。
本发明的水处理装置的特征在于，具有：由浸渍在含被除去物的流体内的第1过滤器和由吸附在其表面上的凝胶膜构成的第2过滤器构成的过滤装置、以及利用电化学方法从上述流体中除去含氮化合物的一对电极。进而，本发明的处理方法的特征在于，利用形成在第1过滤器表面上的凝胶状的第2过滤器过滤流体，以除去被除去物中的微粒成分，并利用电化学方法除去上述流体中所含的氮化合物。
本发明的水处理装置的特征在于，具有：含有可洗脱出能与流体中所含的被除去物结合的凝聚性离子的金属的电极、以及可以过滤已凝聚的流体中的被除去物的过滤装置。
另外，本发明的水处理装置的特征在于，具有：通过洗脱出可与被除去物结合的凝聚性离子而可以生成直径大于所述被除去物的凝聚物的电极、和用于过滤所述凝聚物的过滤装置。
本发明的水处理方法的特征在于，通过洗脱出凝聚性离子，使流体中所含的被除去物凝聚，并利用过滤装置过滤已凝聚的上述被除去物。进而，本发明的水处理方法的特征在于，通过洗脱出凝聚性离子，生成直径大于上述被除去物的凝聚物，并利用上述过滤装置过滤上述凝聚物。当要除去如CMP料浆中混入的磨料等微细粒子时，一般使用孔比该粒子小的过滤膜。但是本发明中使用的是以微弱吸引压力成膜的高溶胀性凝胶膜，并利用水浸透该凝胶膜的性质实现过滤。进而，本发明中即使因连续过滤而导致凝胶膜过滤器的孔眼堵塞，也可以再生该过滤器，然后可以继续进行过滤，从而可以实现长时间的过滤。另外，本发明中由于利用电化学方法除去流体中的含氮组分，因此与以前的生物化学方法相比，可以稳定而且可靠地处理含氮组分。
