2. i
摘 要
本研究探討外加電場掃流微過濾方式對於半導體業晶圓廠之化學機械
研磨廢水之處理成效及其影響因子。在半導體積體電路製程中，隨著 IC 元
件逐漸進入深次微米領域及高聚集化多層金屬導線的要求，化學機械研磨
(Chemical Mechanical Polishing， CMP)已成為晶圓全面平坦化之關鍵技
術；然而，在晶圓研磨後之後續清洗製程(Post-CMP Cleaning Process)中，
會產生大量研磨廢水。一般而言，CMP 製程廢水中含有高濃度且化性穩定的
研磨粉體(例如：SiO2 、Al2O3 )、添加之化學藥劑（例如：氧化劑、界面活
性劑、清洗液等）、研磨產生之碎屑與金屬離子，以及大量超純水等。由於
CMP 廢水中之懸浮微粒帶有很強的負電荷，故本研究利用外加電場掃流微過
濾方式加以處理，藉由外加電場所產生的電化學效應，使帶電顆粒遠離濾
膜表面，藉此改善傳統掃流薄膜過濾濾餅沉積問題，進而提高薄膜過濾效
率及改善濾液品質，提高濾液回收再利用之潛力。
本研究之CMP廢水係取自台南科學園區某晶圓廠(A廠)以及新竹科學園
區某晶圓廠(B 廠)，以 A 廠為例，檢測發現，該廢水之懸浮固體表面帶相當
強的負界達電位(約-78.23mV)，且溶液之導電度約 127.2μS/cm，相當適合
於利用外加電場掃流過濾程序處理。本研究首先將 CMP 廢水加以預過濾處
理，再藉由田口式實驗設計法-L9 直交表配置，探討外加電場掃流微過濾系
統之電場強度、過濾壓差、掃流速度及濾膜孔徑等操作因子對於濾速與濾
液品質的影響。實驗結果發現，在低於臨界電場強度之電場強度操作下，
隨著電場強度、過濾壓差、掃流速度增高，濾速皆有提昇的趨勢。
另外，再將實驗結果進行變異數分析及正規分析，並進而推估本系統
處理 CMP 廢水之最佳操作條件。從 A 廠 CMP 廢水之實驗結果發現，電場強
度與薄膜孔徑係具非常顯著性之二個實驗因子，其貢獻率分別為 80.95﹪及
13.54﹪；而 B 廠 CMP 廢水的實驗結果發現，電場強度與薄膜孔徑亦是具非
常顯著性的二個實驗因子，其貢獻率分別為 75.65﹪及 14.83﹪。對於利用
本系統處理過之濾液綜合品質特性，處理兩廠 CMP 廢水之最佳操作條件皆
3. ii
為電場強度 2.2 V/cm、掃流速度 17.36cm/s、過濾壓差 2.812 kg/cm2
及薄膜
孔徑 0.2μm。據此可知，本系統在高電場強度、低掃流速度、高過濾壓差
等操作條件下，過濾成效最佳。此外，濾液品質亦可符合部分自來水水質
標準，甚至可供更高階之回收水再利用。
4. iii
ABSTRACT
In this study, two chemical mechanical polishing (CMP) wastewaters were
treated by crossflow electro-microfiltration. Also studied are the effects of
operation parameters on their treatment efficiencies. In the semiconductor
industry, presently, CMP has become the key technique to provide global
planarization on interlevel dielectrics (ILD) and metal layers of wafers. In
general, the post-CMP cleaning process will produce a great quantity of CMP
wastewater. Normally, CMP wastewater consists of abrasives of high
concentration and stability, chemicals (e.g., oxidant and surfactant), and a
tremendous mass of de-ionized water. Because of the negatively charged
suspended solids in CMP wastewater, crossflow electro-microfiltration was used
to treat this type of wastewater. By applying an electric field to the system, the
negatively charged suspended solids were expelled from the membrane surface
moving toward the anode. Not only reducing the cake formation on the
membrane, enhancement of the filtration rate and permeate flux have also been
found when an external electric field is applied to the filtration system. In this
investigation, CMP wastewaters obtained from wafer fabs A and B were first
characterized by various standard methods. In CMP wastewater A, the
suspended solids were found to have a high negative zeta potential, about –78
mV. Its electrical conductivity was determined to be 127.2 μS/cm. Before
testing, each CMP wastewater was pre-filtered using a filter paper of 1.2 μm in
pore size. An experimental design based on the Taguchi method was employed.
The L9 orthogonal arrays were utilized to investigate the effects of four
experimental factors ( i.e., electric field strength, crossflow velocity,
transmembrane pressure, and membrane pore size) on the filtration rate and
permeate quality in the crossflow electro-microfiltration system. When the
electric field strength applied was lower than the critical electric field strength,
increases of the electric field strength, transmembrane pressure, and membrane
5. iv
pore size were found to be beneficial to the filtration rate. The experimental
results were further subjected to the analysis of variance and regular analysis.
For both CMP wastewaters A and B, the electric field strength and membrane
pore size were determined to be very significant parameters. In this filtration
system, the optimal treatment efficiency could be achieved by using a higher
electric field strength, lower crossflow velocity, higher transmembrane pressure,
and larger membrane pore size. The quality of permeate thus obtained was even
better than the tap water quality standards. Therefore, the permeate might be
worth recycling for various purposes.
6. v
目 錄
頁次
摘 要 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … i
Abstract … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … iii
目 錄 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … v
表 目 錄 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … viii
圖 目 錄 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … . … … … … … … … x
第一章 前言
1.1 研究緣起 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 1
1.2 研究目的 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 3
1.3 研究項目 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 4
1.3.1 CMP 廢水基本性質探討… … … … … … … … … … … … … … … … … ..4
1.3.2 外加電場掃流微過濾系統之相關操作條件探討... … … … … … … … 4
1.3.3 利用田口式實驗設計-L9 直交表實驗配置推估最佳操作條件.... ….5
1.3.4 CMP 廢水固液分離後之濾液循環再利用之可行性探討 … … … … 5
第二章 文獻回顧與理論分析
2.1 化學機械研磨製程簡介 … … … … … … … … … … … … … … … … … … 8
2.1.1 化學機械研磨技術 … … . … … … … … … … … … … … … … … … … … 8
2.1.2 CMP 製程硬體設備 . …... … … … … … … … … … … … … … … … … … 9
2.1.3 CMP 製程研磨液 ….. ….. … … … … … … … … … … … … … … … … 10
2.1.4 CMP 後續清洗製程 … … .. … … … … … … … … … … … … … … … … 11
2.1.5 CMP 製程廢水及其處理現況 … … … … … … … … … … … … … … … 1 6
2.2 薄膜過濾 … … … … … … … … … … … … … … … .. … … … … … … … … … 19
2.2.1 電透析 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 1 9
2.2.2 微過濾與超過濾 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 2 0
7. vi
2.2.3 逆滲透與奈過濾 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 2 1
2.2.4 電過濾 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 2 3
2.3 掃流薄膜過濾 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 24
2.3.1 濃度極化與薄膜阻塞 … … … … … … … … … … … … … … … … 2 4
2.3.2 影響掃流薄膜過濾程序的操作參數 … … … … … … … … … … 3 0
2.4 外加電場掃流薄膜過濾 … … … … … … … … … … … … … … … … … … 33
2.4.1 過濾系統設計 … … … … … … … … … … … … … … … … … ... … … 34
2.4.2 外加電場掃流薄膜過濾的理論分析 … … … … … … … … ... … … … 35
2.4.3 外加電場掃流薄膜過濾中之顆粒受力狀況…... … … … .. … … … … 39
2 4.4 外加電場掃流薄膜過濾的相關研究……………………………….40
第三章 實驗材料、設備與實驗設計
3.1 實驗材料 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .. … … … 44
3.2 實驗裝置 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .. … … 44
3.3 外加電場掃流微過濾實驗步驟 ….. … … … .. … … … … … … … … … .. … 46
3.4 相關儀器設備 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 47
3.5 實驗設計與方法 … … … … … … … … … … … … … … … … … .. … … … … 48
3.5.1 田口式實驗設計法-L9 直交表 … … … … … … … … … … … .. … … … 48
3.5.2 L9 直交表實驗結果分析 … … … … … … … … … … … … . … … … … 51
3.6 實驗方法 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .. … 56
3.6.1 濾速 … … .. … … … … … … … … … … … … … … . … … … … … … … … ..56
3.6.2 濾液品質 ... … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 56
第四章 結果與討論
4.1 CMP 廢水基本性質探討 … … … … … … … … … … … … … … … … . … … 58
4.1.1 掃描式電子顯微鏡 … … … … … … … … .. … … … … … … … … … ... … 58
4.1.2 顆粒粒徑分析 … … … .. … … … … … … … … … … … . … … … ... … 60
4.1.3 顆粒界達電位分析 … … … … .. … … … … … … … … … … . … … … … 62
8. vii
4.1.4 其他水質項目分析 … … … … … … … … … … … … … … … … … … 6 3
4.2 外加電場掃流微過濾程序之操作條件探討 … … … … … … … … … … 65
4.2.1 電場強度與濾速的關係 … … … ... … … … … … … .. … … … … … … … 65
4.2.2 臨界電場強度測定 … … … ... … … … … … … … … … … … … … … … 66
4.2.3 掃流速度與濾速的關係 … … …... … … … … … … … … … … … … … 67
4.2.4 過濾壓差與濾速的關係 ……..…………….………………………69
4.3 田口式實驗設計法-L9 直交表實驗分析 … … … … … … … … … … … … .70
4.3.1 參數設計之特性值分析與正規分析 … … … … … … … … … … … … . 70
4.3.2 變異數分析 … … … … … . … … … … … … … … … … … … … … … … … 91
4.3.3 確認實驗 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … . … 95
4.3.4 綜合討論…………………………………………………………….98
4.4 濾液品質分析與處理水循環再利用之可行性探討 …………………100
4.4.1 濾液品質分析..…………………………………………………….100
4.4.2 處理水循環再利用之可行性探討 ...………………………..……103
第五章 結論與建議
5.1 結論 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 105
5.2 建議 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 108
符號說明……………………………………………………………………...109
參考文獻 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 111
附錄
附表 1 F 檢定分配表 … … … … … … .... … … .. … . … … … … … … … … … … … 121
附表 2 台灣省灌溉用水水質標準 … … … … … … … … … … . … … … … … … ..122
附表 3 台灣省自來水水質標準 …. ….. … … … … … … … … … … … … … … … 123
附表 4 飲用水水質標準 … … … … … … . … … … … … … … … … … … … … … ..124
附表 5 生活雜用水之水質標準 … … … … … … … … … … … . … … … … … … ..125
附表 6 美國建議之冷卻水水質標準… … … … … … … … … . … … … … … … ..126
9. viii
表 目 錄
頁次
表 2-1 CMP 所用之研磨液分類 … … … … … . … … … … … … … … … … … … . 11
表 2-2 CMP 後續清洗製程所應用之清洗液組成與去除對象…. … … … … .14
表 2-3 各類薄膜過濾可去除之物種… … … … … … … … … … … … … … … … .19
表 2-4 良好前處理能有效改善 RO 或 NF 薄膜程序處理成效之相關研究 22
表 2-5 濃度極化現象之相關研究 … … … … … … … … … … … … … … … … … .26
表 2-6 各類分散質之主要阻塞機制… … … … … … … … … … … … … … … … .28
表 2-7 膠體懸浮液之薄膜阻塞現象相關研究 … … … … … … … … … … … … 29
表 2-8 掃流微過濾程序中，操作參數所造成影響摘要表… … … … … … . … ..31
表 2-9 操作參數對於掃流過濾程序影響之相關研究… … … … … … … ... …..32
表 2-10 外加電場掃流薄膜過濾程序之相關研究…... … … … … … … … … … 41
表 3-1 外加電場掃流微過濾程序之L9直交表配置 … … … … … . . … … … … .50
表 3-2 L9 直交表配置與回應值表 … … … … … … … … … … … … … … … …...52
表 3-3 無目標值時變異數分析表 … … … … … … . . … … … … … … … … … … .54
表 4-1 CMP 廢水基本性質 …. … … … … … … … … … … … … … … … … … … .64
表 4-2 L9 直交表配置之實驗結果-濾速 (A廠) … … … … … ..... … … … … … .72
表 4-3 各因子與水準對於濾速SN比之回應值(A廠) … … … ... ….. … … … ..72
表 4-4 L9 直交表配置之實驗結果-TOC 濃度(A廠) … … … … … … … .. … … .74
表 4-5 各因子與水準對於TOC 濃度 SN比之回應值(A廠) … … … … … … ..74
表 4-6 L9 直交表配置之實驗結果-矽濃度(A廠) … … … … .. …. … … … … … .76
表 4-7 各因子與水準對於矽濃度SN比之回應值(A廠) ….. …... … … … … ..76
表 4-8 L9 直交表配置之實驗結果-綜合特性品質(A廠) … … … … ... … … … .79
表 4-9 各因子與水準對於綜合品質特性SN比之回應值(A ….. … … . … … ..79
表 4-10 L9 直交表配置之實驗結果-濾速 (B廠) … … … … ..... … … … … .. ….83
表 4-11 各因子與水準對於濾速SN比之回應值(B廠). ….. … … .. ….. … … ..83
表4-12 L9 直交表配置之實驗結果-TOC濃度(B廠) … … … … … … .. … … … 85
表 4-13 各因子與水準對於TOC 濃度 SN比之回應值(B廠) … … .. … … … ..85
10. ix
表 4-14 L9 直交表配置之實驗結果-矽濃度(B廠) … … … .. …. … … … … … ...87
表 4-15 各因子與水準對於矽濃度SN比之回應值(B廠).. …. … … .. … … … 87
表 4-16 L9 直交表配置之實驗結果-綜合特性品質(B廠) … … … ... … … … ...89
表 4-17 各因子與水準對於綜合品質特性SN比之回應值(B廠). … … … … 89
表 4-18 A廠之濾液綜合品質特性之變異數分析表 … … … … … … … … … ..92
表 4-19 B 廠之濾液綜合品質特性之變異數分析表 …. . … … ….. … … … … ..94
表 4-20 A廠濾液綜合品質特性SN比之理論推估質與確認實驗質比較....97
表 4-21 B廠濾液綜合品質特性SN比之理論推估質與確認實驗質比較....97
表 4-22 A廠之濾液品質各項水質分析結果 … … … … ... … … … … … … … .102
11. x
圖 目 錄
頁次
圖 1-1 研究流程架構圖 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …...6
圖 1-2 各操作參數對於過濾成效影響之評估流程 … … … … … … … … … …...7
圖 2-1 化學機械研磨硬體設備 … … … … … … … … … … … … … … … … … … ...9
圖 2-3 化學機械研磨流程 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .18
圖 2-4 降低濃度極化與薄膜阻塞的典型方法… … … … … … … … … … … … .25
圖 2-5 掃流電過濾系統：(a)電場穿越過平板式薄膜；(b)管狀薄膜為一電
極 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .34
圖 2-6 外加電場薄膜過濾中，帶電顆粒移動現象… … … … … … … … … … ...38
圖 2-7 外加電場掃流薄膜過濾程序中顆粒的力平衡狀況 … … … … … … … .40
圖 3-1 外加電場掃流微過濾系統示意圖 … … … … … … … … … … … … … … .45
圖4-1 A廠CMP廢水中固體物之SEM/EDS分析圖譜... … … … … … . … … .59
圖 4-2 B廠CMP 廢水中固體物之 SEM/EDS 分析圖譜 … … ... … … . … … … .59
圖 4-3 A廠 CMP 廢水之固體物粒徑分析 … … … … . … … … … … … … … … .60
圖 4-4 A場與 B廠CMP廢水之固體物粒徑分析比較. … … … . … … … … ….61
圖 4-5 Zeta Potential 與 pH值的關係 … … … … … … … . … … … … … … … … 62
圖 4-6 電場強度與濾速的關係 … … .. … … … … … … … … … .. … … … … … … .65
圖 4-7 電場強度與濾速的關係(臨界電場測定) … … … … … … … … … … … ...68
圖 4-8 臨界電場強度下，掃流速度與濾速的關係…. ….. … … … … … … … … 68
圖 4-9 過濾壓差與濾速的關係 … … … … … … … … … … … … … … … … .. … ...69
圖 4-10 各實驗因子對濾速SN比之回應圖(A廠) … … … … … . … … … .. … … 73
圖 4-11 各實驗因子對 TOC 濃度之回應圖(A 廠) … … … … . … … … … … … 75
圖 4-12 各實驗因子對矽濃度 SN比之回應圖(A廠) … … … … … .. … … … … .77
圖 4-13 各實驗因子對濾液綜合品質特性SN 比之回應圖(A 廠) …. … … … .80
圖 4-14 各實驗因子對濾速 SN比之回應圖(B廠) … … … … … . … … … .. … … 84
圖 4-15 各實驗因子對 TOC 濃度 SN 比之回應圖(B 廠) … … … .. … … … … ..86
圖 4-16 各實驗因子對矽濃度SN比之回應圖(B廠) … … … … … .. … … … … .88
13. 1
第一章 前言
1.1 研究緣起
近二十年來，政府積極推動高科技產業發展，其中，半導體產業是我
國繼石化工業後，所發展出具有完整的上、中、下游體系，且在國際上較
具競爭力之一個新興產業。半導體業之積體電路(Integrated Circuit，IC)晶圓
製造程序部分(中游製程)，由於產品規格及種類相當多樣化，製程組合亦
多，故製程所產生的廢水種類相當複雜，而廢水主要係來自於蝕刻、去光
阻及以大量超純水清洗晶圓等程序；若依照廢水特性成分，大致可區分為
酸鹼廢水、含氟廢水以及研磨廢水[1]；其中，特別是化學機械研磨製程
(Chemical Mechanical Polishing， CMP)及後續之晶圓清洗(Post-CMP
Cleaning Process)製程，須耗費大量超純水。根據國內經濟部技術處估計，
公元 2000 年時，全球半導體業所需超純水用量平均每日約 150 萬噸，其中，
60﹪~70﹪超純水是用於製程洗滌程序，而六吋晶圓之超純水用水量約 1 噸
/片，八吋晶圓約為 2.5~3 噸/片，12 吋晶圓之用水量將遽增至 10~15 噸/
片[2]。然而，在目前國內水資源短缺及水質惡化等問題的衝擊下，面對我
國產業發展之瓶頸，水資源利用之開源、節流、回收與防污等，便是重要
的研發課題。
在半導體積體電路製程中，隨著 IC 元件逐漸進入小尺寸、高聚集化之
多層導線要求，化學機械研磨技術逐漸成為元件平坦化之無可取代的關鍵
技術；就 0.35 微米線幅的深次微米元件製程而言，每片晶圓約需 3 到 10
道 CMP 步驟，隨著晶圓面積增大，伴隨而來後續之清洗廢水量便相當可觀，
此廢水若能加以妥善處理，必有相當大的水資源回收再利用潛力。
一般而言，CMP 製程廢水主要含有高濃度且化性穩定的懸浮微粒、金屬
離子，以及所添加之化學藥劑（例如：氧化劑、界面活性劑、清洗液等）。
目前，國內外對於 CMP 製程廢水處理技術的相關研究，主要包含有傳統的
化學混凝法、浮除法，以及薄膜過濾程序（包括：微過濾法、超過濾、陶
瓷膜過濾、動態膜過濾等）。由於高穩定性的懸浮微粒造成 CMP 廢水的混
14. 2
凝成效不彰，且會產生大量污泥，此外，加藥量有時難以有效控制[2]；利
用柱槽溶氧加壓浮選法處理研磨廢液，對於高濃度者，其研磨粉體之回收
有很明顯的效果，但對於低濃度研磨廢液之分離效果卻不明顯，故以浮除
法處理 CMP 研磨廢液，仍有較大的不確定性[3，4]；利用電膠凝
(Electrocoagulation ，EC)處理 CMP 廢水，可有效去除懸浮微粒與溶解態
離子，且處理後廢水若再經由薄膜程序處理，便可供作製程用水再利用
[5]，另外，電膠凝除了去除效果相當好且穩定外，重要的是，並不受廢水
pH 值影響[2]；薄膜過濾程序能避免其他處理技術所面臨的問題，除了可減
少化學藥劑使用量外，更具有可承受流量變化對系統的衝擊、適用之 pH 及
進流濃度範圍廣、能處理混合型 CMP 廢水(Oxide-CMP 及 Metal-CMP 廢水)
等優點，重要的是，處理後之濾液能直接回收再利用，能有效節省水資源
[6-9]。
就國內半導體廠而言，目前廠家多以化學混凝法處理 CMP 廢水[2]，但
普遍過量加藥與混凝成效不彰的現象，對於回收水再利用上有很大限制；
亦有部分廠家以薄膜過濾程序處理 CMP 廢水，可減少化學藥劑加藥量、改
善處理效率，更能提高回收水再利用機會。因此，利用薄膜過濾程序處理
CMP 廢水儼然已成為趨勢[9]。
掃流薄膜過濾程序(Crossflow Membrane Filtration)已廣泛被應用在
化工、食品、生化製程等固液分離程序，及廢水處理方面[10]。由於溶液
中的懸浮微粒常帶有電荷，且與薄膜表面可能產生電化學效應，若於掃流
薄膜過濾操作中，施加以電場作用，使帶電微粒產生電泳現象而遠離濾膜
表面，便可減少微粒於濾膜表面之附著量，有效提高過濾成效，並能改善
濾液品質[11]，此即所謂的外加電場掃流薄膜過濾(Crossflow
Electro-membrane Filtration)。由於 CMP 製程廢水中的懸浮微粒帶負電，
故本研究嘗試以外加電場掃流微過濾程序處理 CMP 廢水，冀能提高 CMP 廢
水之處理成效，改善濾液品質，並達到回收水循環再利用之更高境界，以
作為晶圓廠進行 CMP 製程廢水回收再利用時之參考。
15. 3
1.2 研究目的
由於半導體晶圓製造廠 CMP 製程廢水含有高濃度懸浮微粒，外觀上呈
現乳白色，未經處理而排放恐無法符合現今之排放水標準。近年來，各半
導體廠有逐漸以薄膜過濾程序處理 CMP 製程廢水的趨勢[9]，但由於 CMP 廢
水含有高濃度懸浮微粒，若無適當前處理，易造成過濾過程中薄膜阻塞或
濾餅形成，因而導致濾速衰減。故本研究利用 CMP 廢水中懸浮微粒帶負電
的特性，嘗試以外加電場掃流微過濾程序 ( Crossflow Electro-
microfiltration ) 加以處理，藉由外加電場所產生的電化學效應，冀能
改善傳統掃流薄膜過濾濾餅沉積問題，進而提高薄膜過濾效率及改善濾液
品質，以達 CMP 廢水之良好處理成效、降低後續處理成本及水資源回收再
利用之目標。
掃流薄膜過濾程序已廣泛被應用於各種廢水之處理或固液分離程序，
在過濾壓差、掃流速度、濾膜孔徑…等操作參數對於濾速與濾液品質之影
響探討，已有許多相關研究[7]；為了提昇過濾效率，外加電場之操作更已
證實能有效減少濾餅累積且大大提昇濾速及品質[8，11，12]。本研究除探
討以外加電場掃流微過濾處理 CMP 廢水之可行性評估外，並藉由田口式實
驗設計法-L9 直交表之實驗設計、變異數分析、正規分析等探討影響外加電
場掃流微過濾程序之濾速與濾液品質的主要操作參數，並推估以外加電場
掃流微過濾處理 CMP 廢水之最佳操作條件。
另外，本研究亦會根據外加電場掃流微過濾之過濾成效、濾液品質以
及處理效益之評估，考量 CMP 廢水處理後之水循環再利用之可行性及潛力。
16. 4
1.3 研究項目
本研究利用外加電場掃流微過濾程序處理化學機械研磨廢水，研究架
構流程圖如圖 1-1 所示。研究內容包括：CMP 廢水基本性質分析、CMP 廢水
處理系統最佳操作條件探討、濾液之循環再利用可行性研究。
1.3.1 CMP 廢水基本性質探討
CMP 廢水中，包含有原研磨液成分、晶圓及研磨墊所產生之研磨碎屑及
金屬污染、化學清洗液，以及用來清洗研磨後晶圓的大量超純水。本研究
藉由對 CMP 廢水之下列基本性質探討，作為利用外加電場掃流微過濾處理
CMP 廢水之依據：
(1)粒徑分析。
(2)界達電位。
(3)掃描式電子顯微鏡 (SEM-EDS) 觀察。
(4)其他性質分析：導電度、pH、濁度、總有機碳濃度、金屬濃度…等。
1.3.2 外加電場掃流微過濾系統之相關操作條件探討
本研究主要利用外加電場掃流微過濾系統來處理 CMP 廢水，而影響該
系統對於 CMP 製程廢水處理成效之操作參數，主要有：進流濃度、pH 值、
電場強度、過濾壓差、掃流速度，與濾膜孔徑選擇等。而本研究嘗試在維
持 CMP 製程廢水之原有特性下，探討電場強度、過濾壓差、掃流速度、濾
膜孔徑選擇等操作參數，對於外加電場掃流微過濾系統之濾液流速的影
響。探討的工作項目包括：
(1)臨界電場強度測定。
(2)電場強度與濾速之關係。
(3)掃流速度與濾速之關係。
(4)過濾壓差與濾速之關係。
17. 5
1.3.3 利用田口式實驗設計-L9 直交表實驗配置推估最佳操作條件
利用 L9 直交表配置，透過對實驗結果的特性值分析、變異數分析與正
規分析，探討電場強度、掃流速度、過濾壓差與薄膜孔徑等操作條件，對
於外加電場掃流微過濾程序之濾液流速與濾液品質的主要影響效果，並推
估出本系統之最佳操作條件。
1.3.4 CMP 廢水固液分離後之濾液循環再利用之可行性探討
(1)濾液之水質分析。
(2)低層次水資源再利用方式，例如：生活雜用水、灌溉用水…等。
(3)高層次水資源再利用方式，例如：工業用水、飲用水…等。
19. 7
圖 1-2 各操作參數對於過濾成效影響之評估流程
CMP 製程廢水
以 1.2μm 孔徑之薄膜
進行預過濾處理
外加電場掃流微過濾
處理系統
薄膜孔徑: 0.1μm
掃流速度: 17.36 cm/s
過濾壓差：0.703 kg/cm2
薄膜孔徑: 0.1μm
掃流速度: 17.36 cm/s
過濾壓差：0.703 kg/cm2
薄膜孔徑: 0.1μm
電場強度: 1.1 V/cm
過濾壓差：0.703 kg/cm2
薄膜孔徑: 0.1μm
電場強度: 1.1 V/cm
掃流速度: 17.36 cm/s
探討電場強度與
濾速的關係
利用實驗方式求
出臨界電場值。
在臨界電場條件
下，探討掃流速度
與濾速的關係。
探討過濾壓差與
濾速的關係。
各操作操數對於過濾成效
影響之評估及原因探討。
20. 8
第二章 文獻回顧與理論分析
2.1 化學機械研磨製程簡介[13，14]
2.1.1 化學機械研磨技術
隨著半導體積體電路製程之高積集度與微縮化的不斷追求，自 1997 年
起，IC 製程邁進 0.5 微米元件線幅以下，化學機械研磨技術已成為最受矚
目的微細加工關鍵技術。化學機械研磨/平坦化(Chemical Mechanical
Polishing/ Planarization，CMP)是美國 IBM 公司於 1985 年所研發成功的
技術，其目的是將晶圓表面凹凸起伏的介電層(Dielectric Layer)或金屬
層膜(Metal Layer)加以平坦化，不但較傳統平坦化製程簡化(回蝕法(Etch
Back)、薄膜沉積法(Chemical Vapor Deposition，CVD)...)，低成本，且
可大幅增加晶圓元件的可用面積、增加晶片產量。由於研磨過程中，除了
靠機械力（亦即，研磨粉體與晶圓表面的之磨耗作用），所導入之研磨液亦
會在晶圓表面產生化學反應，故稱之為化學機械研磨。目前，CMP 主要應用
於 IC 前段製程淺溝槽分離(Shallow Trench Isolation，STI)以及後段製
程中，二氧化矽介質膜平坦化、金屬導線製作等。
隨著 IC 元件逐漸進入小尺寸、高聚集化之多層導線後，黃光製程中對
景深(Depth of Focus，DOF)有較高限制，因此，對 IC 元件之平坦化有極
高要求。對於 0.35 微米線幅的深次微米元件製程而言，每片晶圓約需 3 至
10 道 CMP 步驟，而在近年來，CMP 製程技術也已經更加均質、穩定及簡化，
因此，在進入 0.25 微米以下之製程範疇時，例如：0.18、0.15、0.13、0.10
微米線幅，無庸置疑地，CMP 是唯一無可取代的關鍵技術，不但可提高元件
產品的良率，且在產品可靠性方面也有相當程度的貢獻。
22. 10
2.1.3 CMP 製程研磨液
通常，CMP 研磨對象不同時，其所需使用的研磨液亦有所差異，如表 2-1
所示[14]，主要包含有 5∼10％的 30∼100 奈米（Nanometer，nm）的微細
研磨粉體(Abrasive Particles,亦稱為砥粒), 種類有 SiO2 、Al2O3、CeO2、
ZrO2 等。一般而言，Fumed Silica(SiO2) 系列的研磨液廣泛被應用於二氧
化矽層間絕緣膜之研磨，適合之pH 值大約為 10~11 左右；而 Alumina(Al2O3)
系列的研磨液則被應用於金屬膜研磨，適合之 pH 值約為 2~4。通常，研磨
液中尚需加入其它的化學助劑，包括：（1）pH 緩衝劑（例如：KOH、NH4OH、
HNO3 或有機酸等），此因研磨液的界達電位（Zeta Potential） 小的時候，
粒子間的吸引力會變大，容易產生凝集的現象，所以藉由調整研磨液的 pH
值得到最適當的界達電位；（2）氧化劑（例如：雙氧水、硝酸鐵、碘酸鉀
等），其 pH 值大約為 2~4 之間，適用於金屬膜的研磨，以便將金屬氧化再
加以磨除；（3）界面活性劑,以幫助粉體在水溶液中之懸浮穩定性，抑制其
膠凝或結塊，使晶圓表面的刮傷降至最低、獲得更好的再現性
(Repeatability)及使 CMP 後的洗淨能力提高。然而，一般建議選用只含
NH4OH 的研磨液，除可避免鉀離子污染，更有利於後續之微塵清洗，因為 KOH
之離子強度強，會使粉體電雙層斥力範圍縮減，促使吸附於晶圓表面，而
需加以其他後續清洗步驟，如氫氟酸清洗，始能去除鉀等鹼金屬污染。
為因應未來半導體相關技術的快速發展，當前 CMP 製程的研磨液研發有
幾個課題需要進行：(1)高純度且高研磨速率之新研磨液的開發，(2)研磨
液再循環使用之回收系統，(3)降低 CMP 製程費用，(4)減少事業廢棄物量，
(5)開發適用於低介電常數絕緣膜的研磨液[14]。
23. 11
表 2-1 CMP 所用之研磨液分類[14]
研磨液
CMP 的研磨對象
砥粒 添加劑
pH 值範圍
SiO2 (層間絕緣膜，
Inter Level Dielectric，ILD)
SiO2
CeO2
ZrO2
Al2O3
Mn2O3
KOH、NH4OH
-
-
-(有機分散劑)
10~11
W (plug)
Al2O3
Mn2O3
SiO2
H202、Fe(NO3)3、
KIO3
H202
2~4
Al (wire/plug) SiO2
H202、Fe(NO3)3、
KIO3
2~4
Metal
Cu (wire/plug) Al2O3
H202、Fe(NO3)3、
KIO3
2~4
2.1.4 CMP 後續清洗製程(Post-CMP Cleaning Process)[13]
CMP 製程在無塵室中是屬於高污染性的製程。CMP 是靠著機械力，並導
入研磨液於晶圓表面加以研磨，使晶圓表面平坦化 ，故晶圓經過研磨之
後，晶圓表面勢必殘留大量研磨粉體( >10 k/wafer) 、金屬離子( >1012
atoms/cm2
)及其他不純物污染[13]。以 8 吋晶圓為例，研磨過後尚未洗淨的
晶圓，表面上大於 0.2μm 的微粒有 10000 個以上，需藉由清洗機制去除以
達到數個到數十個的標準；此外，金屬不純物的表面濃度原本有 1011
~1012
atoms/cm2
以上，包括添加在研磨液中的鐵、鉀，還有來自研磨液中的不純
物及從研磨墊上掉落的金屬，污染洗淨後必須達到 1×1010
atoms/cm2
以下
[14]。所以，利用有效之清洗製程去除此外來之污染物，以及因研磨產生
24. 12
之表面損傷是必要的，否則將影響其他後續製程（例如：薄膜沉積），故研
磨後清洗程序(Post-CMP Cleaning)可說是成功應用 CMP 於半導體製程之關
鍵技術之一，以下便針對 CMP 後續清洗技術之清洗機制原理、清洗液的使
用，以及清洗方法做簡要說明。
(1)清洗機制[13]
一般在研磨後，粉體是傾向於吸附在晶圓表面，而以去除表面粉體的
觀點而言，希望粉體與晶圓表面於水中存在相斥的靜電作用力，亦即，保
持相同電性，且其界達電位值越大越好。所以，清洗之水溶液除了要使粉
體與晶圓表面存在有效之電雙層靜電斥力外，並要儘可能降低水溶液的離
子強度，擴大電雙層作用範圍，以抗拒近距離時強大的凡得瓦力吸引力。 而
在鹼性水溶液中(pH>7)時，大部分陶瓷粉體或固體表面皆帶負電荷，且其
界達電位皆為負值；但 Al2O3 粉體需在水溶液 pH>9 時，界達電位才會由正
值變為負值。而在 CMP 研磨後的晶圓表面，大部分為 SiO2 層間絕緣膜，殘
留粉體大多為 SiO2 或 Al2O3 ，所以，只要在 pH>10 的鹼性水溶液中，便有
利於晶圓表面之粉體脫附。
(2)清洗液[13]
由於晶圓研磨過後，殘留粉體與晶圓表面間界達電位的交互作用，只
使用純水清洗並不能有效去除污染物，所以，必須使用適當化學藥劑加以
輔助，以利去除機制進行；而常用清洗液，例如：NH4OH 水溶液、電解離子
水及氫氟酸等，茲將常用化學清洗液組成與適用清除對象，整理如表 2-2[14]
所示。
(a)0.5~4.0%的 NH4OH 水溶液(目前之主要粉體去除液)
pH 值約為 8 的 NH4OH 水溶液，即可抑制住殘留粉體與晶圓表面的界達
電位,有利於粉體去除機制，能有效移除晶圓表面上粒徑＞0.2μm 的粉體，
使微粒總數(＞0.2μm)減少至 100 顆以下。另外，在目前商用的 CMP 研磨
設備裡，都附有自動間隔一段時間注入去離子水（D.I. Water）的裝置，
目的是為了防止因研磨液乾涸結塊，導致不易去除，又研磨液中的主要研
25. 13
磨粉體為 SiO2，很容易有此問題發生，由於 SiO2 可溶解於強鹼性水溶液中，
故可使用 KOH、NH4OH 溶液 (pH>12)浸泡半天至一天後，以大量去離子水沖
洗即可。
(b)電解離子水
相較於 NH4OH 水溶液的去除效果，電解離子水能更有效地去除晶圓表面
上的塵粒。將鉑電極導入純水中進行電解反應, 陰極上進行水的還原反應,
而產生 OH-
離子,收集此陰極水溶液進行晶圓表面清洗，去除塵粒能力較一
般鹼性水溶液佳。
(c)氫氟酸(Hydrofluoric Acid)
一般研磨後，晶圓上會殘留研磨液中所含之鹼金屬離子（例如：鉀、
鈉離子），和過渡金屬離子（例如：鎳、鐵、銅、鋅），上述金屬離子除了
會吸附在晶圓表面外,也可能因研磨應力或表面損傷而擴散到 SiO2 層間絕
緣膜裡。而利用氨水清洗時，會使這些金屬離子形成氫氧化物沈澱,所以在
氨水清洗之後,通常伴隨著稀氫氟酸水溶液之清洗，藉由輕微侵蝕掉 SiO2
表層，可以有效去除金屬離子污染，且蝕刻作用亦可消除因研磨所造成的
表面損傷；但是，此清洗程序易造成金屬導線之腐蝕,所以需嚴格控制氫氟
酸濃度(<1:100)及清洗時間(<15 秒)。若想避免金屬腐蝕的疑慮，亦可選用
錯合劑（例如：檸檬酸，Citric Acid），不過，錯合劑對於鹼金屬離子的
去除效果有限。
26. 14
表 2-2. CMP 後續清洗製程所應用之清洗液組成與去除對象[14]
清洗液 清洗液組成 去除對象
APM(SC-1) NH4OH/H2O2/H20 微粒、金屬離子、輕有機物
HPM(SC-2) HCl/H202/H20 重金屬離子、鹼金屬離子金屬、氫氧化物
DHF HF/DI Water
SiO2、磷矽玻璃 PSG、BPSG、Cu 以外之金
屬離子
SPM H2SO4/H2O2 重有機物、氧化物
(3)清洗技術[13]
目前 CMP 後續清洗製程中清洗方法的運用，主要分成物理性去除法(例
如：超音波洗淨與刷子刷洗法)，通常配合 ASM 或 HPM 清洗液；以及化學強
化清洗(例如：蝕刻、溶解法等)，一般以 DHF 或 SPM 清洗液作為輔助。由
於純水刷洗的方法並不能有效地除去不純物，必需使用化學藥品來輔助清
洗，才能提高清洗功效；若化學藥品的使用受到限制，盡量選擇去除能力
高的清洗方法是很重要的。
(a)刷洗（Brushing Cleaning）
刷洗是屬於接觸型清洗， 在工業上的應用相當廣泛，特別是在 CMP 後
續清洗製程中，刷洗法是最普及的清洗方法。由於 PVA(聚乙烯醇)具有富含
氫氧基、85∼90％的體積為孔洞、柔軟性及吸水性強等特性，可有效捕集
微粒，故大多利用 PVA 材質的海綿或尼龍，在晶圓表面進行刷洗去除；但
若要使刷洗有效率, 需控制水流、旋轉速度以及刷洗壓力,例如：壓力過大
會造成晶圓表面刮傷。另外，刷洗法有幾項優點，例如：去除能力強，所
需時間短，以及對晶面造成的損傷少等。
27. 15
(b)超音波震盪（Megasonic Cleaning）
以純水或鹼性藥水注入超音波震盪器內，使之在洗淨過程中產生氣穴現
象(Cavitation)，利用衝擊力將微粒從晶圓上分離，是屬於非接觸型清洗。
利用約 1MHZ 的頻率以及 DI 水加 1%NH4OH(pH＝11)予以震盪，幾乎可完全去
除粉體，而其最適操作條件是：輸入功率約 400~500W， 溫度約 30~35℃，
時間約 13~17 分鐘；若只使用氨水震盪 15 分鐘, 亦可達＞99％的移除率。
由此可知，超音波震盪是一種去除微粒的有效方式, 更可排除刷洗晶圓表
面時可能產生刮痕的顧慮。
(c)化學強化清洗（Chemistry-Enhanced Cleaning）
由於去離子水並無法有效去除吸附在晶圓表面的粉體，利用鹼性溶液
則可確保粉體與晶圓表面存在有效的電性相斥，此法可應用於各類清洗製
程（包括：刷洗、超音波震盪等）；另外，適當的界面活性劑，可有效濕潤
晶圓表面，降低其界面張力，亦有助於粉體之去除。
(d)The Radiance Process
一般的清洗過程會耗費大量水與化學藥品，而晶圓及其他電子產品現在
已可藉由雷射光及鈍氣來進行清洗動作。濕式的化學清洗法已達一極限，
只能清除 0.2 微米的微粒,而雷射清除法可清除至 0.1 微米粒徑微粒，且所
耗費的能量低，不會傷害晶圓表面，或造成內部破壞，亦不會產生所謂的
研磨清洗廢液,然而，這項技術目前仍在測試中。
28. 16
2.1.5 CMP 製程廢水及其處理現況
半導體晶圓製造廠其積體電路製程中，目前發展最快速且最受矚目的
化學機械研磨技術會伴隨產生大量的 CMP 廢水，而此廢水性質隨著研磨對
象、研磨液、清洗技術之不同或差異而有所不同，例如：Oxide- CMP、W-CMP、
Poly-CMP、Al-CMP、Cu-CMP 等廢水。
CMP 製程廢水主要可分為研磨廢液及研磨後清洗廢水，前者是研磨過程
中所導入之研磨液及晶圓研磨墊所產生之研磨屑，後者則為清洗研磨後晶
圓之用水，以大量超純水為主，其研磨及廢水產生流程如圖 2-3[15]所示。
根據美國半導體產業協會(Semiconductor Industry Association，SIA )
估計，CMP 機台若以每台每小時處理 40 片晶圓的產能來運作，每天從每台
研磨機台所排放的研磨廢液，即可達 190 加侖(約 719.23 公升)；而來自每
個洗淨機台所排放的 CMP 後續清洗廢水，則可累積至 180 加侖(約 681.37
公升)[16]；然而，兩者在濃度上有相當明顯的差異，故若能將兩股廢水分
開收集，能有利於後續處理。
目前國內有關 CMP 製程廢水的處理方法，除了傳統的化學混凝法、浮除
法，尚有薄膜過濾程序(例如：MF 微過濾法、UF 超過濾、陶瓷膜過濾、動
態膜過濾)等較有效率的方法。化學混凝法會產生大量污泥，且由於 CMP 廢
水中懸浮固體的高穩定性，若顆粒之去穩定與架橋反應不完全，容易造成
混凝成效不彰，加藥量有時難以有效控制，甚至常有過分加藥的情形，不
但處理成本高，且無法確保處理效果，故處理水之回收再利用潛力受到很
大限制[2]；而浮除法雖不受限於 CMP 廢水之 pH 值，對於高濃度化學研磨
廢液有相當好的分離效果，研磨粉體能有效濃縮回收再利用，但對於較低
濃度的化學研磨廢液處理效果卻不顯著，不確定性較大[3，4]
薄膜過濾程序在廢水處理的應用上擁有許多優於傳統處理方式(例如：
化學混凝法)的特點，不但能克服 CMP 廢水之特性(例如：所含微細膠體粒
子種類多、粒徑分布廣、pH 範圍大、高懸浮穩定性…等)，亦能減少化學藥
量的使用，更重要的是，所獲得之濾液往往能直接回收再利用，有效節省
水資源[7]。而國內，在利用薄膜過濾程序處理 CMP 製程廢水上的應用，已
29. 17
有許多相關研究及實場操作；其中，利用 CMP 廢水之懸浮微粒帶負電的特
性，以外加電廠掃流微過濾方式處理 CMP 廢水，研究發現，藉由外加電場
的作用，能夠明顯提昇濾液流量，且濾液品質亦獲得相當改善，評估處理
後濾液之回收在利用的潛力相當大[8]；除了傳統化學混凝法外，已有部分
晶圓製造廠是利用掃流薄膜過濾程序處理 CMP 廢水，但在半導體廠中，不
同類型的 CMP 廢水通常是混合處理，因此，所發展出之處理技術必須要能
夠同時適用於多型態 CMP 廢水之處理，例如，掃流薄膜過濾程序中，動態
過濾膜的利用，可同時處理各類型 CMP 廢水，且膜的壽命可長達 3~5 年[9]。
目前國外對於 CMP 製程廢水的處理，除了化學混凝法外，還有電膠凝法
以及超過濾法等。而利用電膠凝(Electrocoagulation，EC)處理 CMP 廢水，
可有效去除懸浮微粒與溶解態離子，且處理後廢水若再經由薄膜程序處
理，便可供作製程用水再利用[5]；利用管狀掃流超過濾程序處理 CMP 製程
廢水，濾液品質可直接回收再利用，且過濾過程中完全無薄膜阻塞現象發
生，因此薄膜壽命可長達 15 個月甚至一年[6]。
由上述可知，為了提高 CMP 製程廢水的處理成效，在化學混凝法與電膠
凝法等技術之應用，尚有許多有待克服的瓶頸；而顯而易見地，利用掃流
薄膜過濾程序處理 CMP 廢水，不但能有效提高處理成效，減少化學藥量及
後續污泥處理成本，所得之濾液更有相當大的循環再利用潛力；另外，面
對未來化學機械研磨技術上的改良，例如：Cu-CMP，後續會衍生含高濃度
銅離子之 CMP 廢水處理問題，因此，利用掃流薄膜過濾程序之系統特性來
處理 CMP 廢水勢必成為趨勢。
32. 20
2.2.2 微過濾(MF)與超過濾(UF)
(1)微過濾[10]
微過濾主要是以孔徑大小來分離水中的懸浮固體物質，微過濾的薄膜孔
徑大小通常在 0.5μm~5μm 之間，因此，對於水中較大之懸浮粒子及微生
物有良好的去除效果；通常 MF 薄膜程序之操作壓力介於 30~300
kPa(103
kg/ms2
)之間，屬低壓操作的薄膜程序。目前，MF 薄膜程序通常被使
用於去除懸浮固體物及微生物，並已廣泛應用在飲用水的處理，Letterman
等人[19]指出，利用微過濾程序處理後之濾液，對於 2μm 以上之粒子有 99
﹪以上的去除效果，其濁度小於 0.1NTU；Olivier 等人[20]，以 0.2μm 之
微過濾程序處理飲用水，約可去除 15﹪的總有機碳(Total Organic
Carbon，TOC)；Yausa [21]研究以混凝配合 MF 薄膜程序用於飲用水的處理，
對於濁度有相當的去除效果；另外，Ghayeni 等人[22]，利用微過濾程序配
合 RO 薄膜程序於飲用水處理或於生活污水之回收運用，亦有不錯的處理效
果。
(2）超過濾[10]
超過濾的過濾機制與 MF 相同，但其薄膜孔徑較 MF 略小，操作壓力在
50~700 kPa(103
kg/ms2
)之間。UF 薄膜程序的應用範圍，包含有化學製程、
食品製程；而在廢水回收處理方面，所得之濾液可回收再利用，高濃度濃
縮液亦可應用在污泥減量上，以減少污泥最終處置的問題。
縱然 MF 或 UF 在水處理應用上逐漸廣泛，但在應用上所面臨的最大問
題為薄膜阻塞與材質劣化，其中，以薄膜阻塞為薄膜程序應用上受限的主
因。Takiazwa 等人[23]指出，薄膜的主要阻塞物種(Foulants)包括：有微
粒、膠體物質、有機物、氧化物、微生物及無機鹽類等。
33. 21
2.2.3 逆滲透(RO)與奈過濾(NF)
RO 或 NF 程序已被證實對於溶解性離子有相當的分離效率，且在回收重
金屬或製程用水也具有相當的經濟效益；然而，由於兩者在應用上常因為
薄膜阻塞問題而導致操作成本增加，因此，以 MF 或 UF 薄膜程序作為 RO 或
NF 之前處理，處理之成效改善極為顯著。故欲解決薄膜阻塞問題，須有良
好的前處理，相關研究如表 2-4 所示。
(1)逆滲透[10]
逆滲透之薄膜孔徑在 0.1nm 以下，因 RO 孔徑甚小，一般改以分離分子
量 (Molecular Weight Cut-Off ，MWCO) 表示，通常 RO 的 MWCO 小 於
200D(Dalton，D)，其操作壓力在 800~8000 kPa(103
kg/ms2
)之間。由於 RO
薄膜孔徑甚小，所以對溶解離子有分離效果，對於二價以上之高價離子，（例
如：Ca2+
、Mg2+
、Al3+
、SO4
2-
等）有 99﹪以上的去除率；對於單價離子（例如：
Na+
、K+
、Cl-
）亦有 95﹪以上的去除效果。故 RO 廣泛被應用於水純化或飲
用水處理上，且在廢水回收再利用方面亦逐漸受到重視。
(2)奈過濾/極微過濾[10]
近幾年來，NF 薄膜程序亦逐漸被應用在水處理上，其操作壓力較 RO 略
低，介於 350~1000 kPa(103
kg/ms2
)之間，有較省能源之優點；而對於高價
離子約有 95﹪以上的去除率，對於單價離子亦有約 80﹪以上之去除效果，
顯示 NF 薄膜程序對物種分離能力亦佳，故常運用於去除水中鈣、鎂離子，
具軟化水質之效。陳重男等人[24]研究利用新竹第一淨水場為研究廠址，
利用單一膜管試驗(SEBST)進行極微過濾，對於總硬度、鈣硬度與總溶解固
體量之去除率分別可達 96.3﹪、95.4﹪及 93.7﹪以上，對色度、濁度、鹼
度及導電度則分別有 80.4﹪、96.2﹪、88.9﹪及 93.1﹪以上之去除率。
34. 22
表 2-4 良好前處理能有效改善 RO 或 NF 薄膜程序處理成效之相關研究
作者 年代 主要研究成果摘要
葉宣顯、楊子
岳、高山鎮[25]
1999
利 用 桌 上 型 快 速 薄 膜 實 驗 設 備 (Ripid Bench-Scale
Membrane Test，RBSMT)探討 NF 薄膜程序對於表面水處
理之運用。另外，亦探討不同前處理程序，例如：傳統
處理方法、1μm 過濾以及 UF 程序，對於 NF 阻塞速率之
影響。研究發現，對於鳳山原水試驗中，以 UF 為前處理
時，可有效降低 SDI 值，亦能改善 NF 阻塞速率；但在澄
清湖原水試驗中，NF 之阻塞速率並未因 UF 程序有效去
除膠體粒子而有所改善，顯示 NF 阻塞現象之控制可能需
隨水質之不同而異。
林士正、蔡幸
芬、張振章[26]
1999
對於染整廢水回收再利用上，以修正式線上混凝方法
(MILC)配合多介質砂濾作為 RO 之前處理，不僅成本低
廉，能量損耗少，停滯時間降低，所需反應器體積減少，
空間佔用大幅縮減，同時可真正有效降低 SDI 值，去除
原水中濁度、微細懸浮粒子，與部分溶解物質，使後續
RO 程序得以順利操作，不至於阻塞受損。
F. Buhrmsnn,
M. van der
Waldt,
D. Hanekom
and F.
Finlnlayson
[27]
1999
利用螺旋式(Spiral)RO 處理礦酸雨冷卻水塔排放之混合
工業廢水，將處理後之清水回收再利用於冷卻水塔，而
濃縮廢液部分則利用真空濃縮法處理，可接近零排放之
目標。
R. Rautenbach
and T. Linn
[28]
1996
以 RO/NF 高壓薄膜程序，利用 NF 薄膜可將單價及二價離
子分離之特點，使得整個系統回收率提高至 97﹪以上，
濃縮廢液則以結晶蒸發法處理，以減少濃縮廢液排放對
於環境之衝擊。
36. 24
2.3 掃流薄膜過濾(Crossflow Membrane Filtration)
薄膜過濾程序主要是以掃流過濾的方式進行，與傳統濾餅過濾(Cake
Filtration)的最大差異，在於利用平行於濾面的高速進料流，對濾膜表面
顆粒所產生之剪應力，以達到抑制濾膜表面濾餅成長的效果。一般而言，
在掃流過濾初期濾速較高時，濾餅成長現象類似於傳統濾餅過濾，但當濾
餅成長至某一厚度，平行於濾膜表面的剪應拖曳力明顯時，顆粒附著於濾
膜表面的速度會趨緩，而導致濾速逐漸呈現一穩定值，此時濾餅亦不會再
成長[35-37]。由此可知，掃流薄膜過濾程序相較於傳統濾餅過濾程序是一
兼具高濾速且可延長操作時間、降低操作成本等優點的過濾程序，並已廣
泛被應用於化工、食品、生化、廢水處理[38-42]等製程上微細顆粒的分離。
掃流薄膜過濾從 1960 年代發展至今，其操作特性、濃度極化現象、粒
子運動軌跡及粒子附著機制等皆已深入探討，並且在微過濾(MF)與超過濾
(UF)有相當廣泛的應用。Belfort 等人[43]指出，掃流微過濾中薄膜阻塞是
最主要影響成效的關鍵，是由於大分子(Macromolecules)、膠體(Colloids)
以及微粒(Particles)等在多孔薄膜表面發生沉積，或是吸附於膜孔內部所
導致，他們曾針對造成薄膜阻塞的各種影響因子加以分析（包括：濾餅形
成、懸浮流行為、顆粒傳輸現象、阻塞層的行為機制等），並有一完整詳盡
的文獻整理。
2.3.1 濃度極化與薄膜阻塞[43]
濃度極化現象(Concentration Polarization)與薄膜阻塞(Membrane
Fouling)是造成掃流薄膜過濾中濾液流速衰減的最大主因，在過濾開始
後，在靠近或濾膜表面上，由於濃度極化效應或濾餅形成，溶質或顆粒在
薄膜表面或孔徑內累積，而使得薄膜迅速阻塞，濾液流速驟減。因此，如
何降低阻塞與濃度極化現象，便是影響掃流薄膜過濾成效的關鍵。目前用
來抑制濃度極化與薄膜阻塞的典型方法，如圖 2-4 所示[43]，其中，包括：
增加掃流速度、薄膜過濾器加裝電場或超音波震盪、加入管狀過濾單元、
空氣或濾液逆洗方式、進出流水和濾液脈衝方式等[42，43]，然而，這些
39. 27
表 2-5 濃度極化現象之相關研究(續)
作者 年代 主要研究成果摘要
S.
Bhattachar-
jee ,
A.S. Kim and
M. Elimelech
[47]
1999
利用理論方法來預測掃流薄膜過濾程序中，濃度極化層
中內部顆粒的交互作用所產生的影響，以及所產生之濾
液流速衰減現象。而此模式主要考慮的兩個溶液特性為
其滲透壓與擴散係數；在濃度極化的標準理論架構中，
此模式可以直接獲取顆粒間交互作用的定量影響。
D. Airey,
S.Yao, J. Wu,
V. Chen, A. G.
Fane and J. M.
Pope [48]
1998
在單管掃流薄膜過濾裝置中，利用核磁共振顯微攝影研
究二氧化矽懸浮膠體溶液之濃度極化現象。發現濃度極
化層結構相當不對稱，且發現掃流過濾之濾液穩定濾速
幾乎是垂直過濾者的兩倍，此與濃度極化層之結構不均
勻有關；另外，濾速起初是隨著過濾壓力增大而增加，
但較高的壓力時，濃度極化層持續增厚，濾速逐漸達穩
定狀況。
P.Harment and
P. Aimar [49]
1998
以 Ludox SM(3.5nm) 、 LS(6nm) 、 CL-X(11nm) 與
Latex(220nm) 等四種膠體粒子，探討掃流過濾中膠體膠
結情形。研究發現，隨著操作壓力增大，濾速會增加，
隨後持平；若緊接將過濾壓力降低時，濾速會迅速衰減，
且小於原先同壓力時之濾速，研判薄膜表面有膠體凝結
現象。粒徑越小的膠體，凝結現象更嚴重，故其膠體擴
散及極化作用更是重要。
A. S. Jonsson
[50]
1995
以泥漿攪拌槽紊流促進方式（Turbulence -Promoting
Module）進行過濾試驗，分析濾速與葉片攪拌程度的關
係。若濾速隨攪拌程度增強而提高時，判斷為濃度極化
作用，因為攪拌程度增強會增大粒子的擴散係數，而濃
度極化受粒子擴散影響甚大；若是為濾餅阻塞，由於濾
餅中粒子與薄膜表面作用力甚大而形成緊密結合結構，
故濾速並不會隨攪拌速度改變而有明顯變化。
41. 29
表 2-7 膠體懸浮液薄膜阻塞現象之相關研究
作者 年代 主要研究成果摘要
U. Frenander
and A. S.
Jonsson [59]
1996
以迴轉式過濾器探討蛋白質的回收效果。研究指出，提
高操作壓力與高剪應速度(與掃流速度有關)，確實可以
有效提升過濾效果；然而，過高的壓力與剪應速度，反
而會造成蛋白質分子緊密黏著於濾面，降低過濾成效，
特別是易變形的蛋白質，且易造成蛋白質分子損壞。另
外，以連續操作方式，剪應速度由大到小、再由小到大，
濾速會比較小，顯示出蛋白質容易附著於濾膜，造成薄
膜阻塞。
I. H.Huisman,
D. Johansson,
G. Tragardh
and
C. Tragardh
[60]
1997
利用二氧化矽膠體懸浮液，從膠體間作用力、電黏度效
應、膠體與溶液間的水合作用力等，來探討掃流薄膜過
濾中所形成濾餅的特性。研究指出，濾速的衰減主要是
由於濾餅的形成以及薄膜阻塞；而所形成濾餅的孔隙度
與操作施加過濾壓差無關，但會隨著膠體界達電位的提
高而微幅增大。
P. Pradanos
and A.
Hernandez[61]
1996
以 5 種蛋白質、2 種薄膜來探討超過濾中，蛋白質分子
被薄膜吸附的情形。蛋白質是否會被薄膜吸附，主要決
定於分子間作用力與薄膜表面流體流動特性；因此，藉
由調整 pH 值以減低分子間作用力，以及增加掃流速度
等，都能有效降低蛋白質吸附量。另外，薄膜孔徑小者，
因為有較大內部表面積，故吸附情形會較嚴重；而蛋白
質分子量較小者，薄膜被吸附的面積大致相同；若蛋白
質分子量夠大，便不易穿過薄膜，吸附就不易產生。
43. 31
表 2-8 掃流微過濾程序中，操作參數所造成影響之摘要[51]
系統特性 對 MF 造成之影響
懸浮液 pH 值
當進料中的顆粒粒徑相當大時，在流速衰減影響上，以其水力
作用力為主，而 pH 與離子強度的影響即可忽略。對於比較小的
顆粒，其表面作用力較重要；且在高界達電位時，濾速會比在
其等電位點(IEP)時略低；而流速差距受進料濃度影響大，一般
來說，進料在靠近等電位點的 pH 時，濾液品質能獲較大改善。
懸浮液濃度
當懸浮液濃度較高時，濾液流量通常比較低，且濾速很快就達
到穩定狀態。
掃流速度
當進料中微細顆粒的比例很高時，掃流速度增加，會導致較薄
的濾餅層，且整體濾速會較高；當進料接近等電位 pH 時，濾速
有較大改善，但 pH 接近最大顆粒表面帶電(Maximum Particle
Surface Charge)，濾速改善較小；而在掃流速度低時，穩定狀
況流速較快達到，但在掃流速度高時，濾液品質較佳。若降低
進料中微細顆粒與大顆粒比例，隨著掃流速度提高，會導致薄
膜阻塞程度更嚴重，且濾速更低；所以，濾速增大或降低與掃
流速度間的關係，主要與進料濃度、顆粒大小有關。
過濾壓差
對於大顆粒懸浮液，增加壓差可以得到相當明顯的濾速改善，
特別是懸浮液濃度較低時。但當進料物種 D50 較小、濃度較高、
且顆粒形狀較不規則時，壓力對於濾速的影響不顯著。
顆粒形狀
形狀不規則的顆粒對於掃流薄膜過濾的影響是比較難預測的；
然而，形狀較規則的顆粒，對於濾速衰減的影響卻相當顯著。
薄膜孔徑大小
當進流中的主要顆粒明顯大於薄膜孔徑時，薄膜孔徑的影響非
常小；若顆粒大小相當接近甚至小於薄膜孔徑時，濾液品質通
常較差。
44. 32
表 2-9 操作參數對於掃流過濾程序影響之相關研究
作者 年代 主要研究成果摘要
E. Fischer
and J. Raasch
[63]
1985
增加掃流速度雖可減少濾餅累積量，但濾速卻也隨之降
低，尤其是在過濾壓差大時特別明顯。而從不同掃流速
度下所形成之濾餅粒徑分析可知，高掃流速度下形成的
濾餅有較小的粒徑，因此，導致相當高的濾餅比阻，導
致濾速降低。
R. D. Cohen
[64]
1990
以掃流過濾系統的混凝程度，探討懸浮液中粒子因相互
碰撞所產生之凝聚現象，發現高掃流速度可促進濾面粒
子的擴散作用，同時因顆粒相互碰撞所產生的凝聚現
象，亦會影響過濾特性。
T. Tanaka, K.
I. Abe, H.
Asakawa, H.
Yoshida and
K. Nakanishi
[65]
1994
分別以糖蜜培養基及葡萄糖培養基所培育出之酵母菌進
行微過濾實驗，而前者發酵液之過濾比阻是後者之六
倍。結果顯示，在高過濾壓差與低掃流速度的操作下，
可獲得較高的濾速，推論是因為低掃流速度可降低小顆
粒附著的比例；故若以適當前處理去除小顆粒，對濾速
提高很有助益。
T. Tanaka,
R. Kamimura,
R. Fujiwara
and K.
Nakanishi
[66]
1994
以橢圓狀及桿狀微生物進行濾餅過濾及掃流過濾實驗，
探討兩過濾方式下，濾餅壓縮性、堆積結構及濾速變化
情形等。研究發現，在掃流過濾中，橢圓狀者之濾餅排
列近似隨意堆積，而桿狀者因掃流作用力而呈現結構較
緻密的規則排列，故過濾比阻較大；另外，當掃流速度
增加時，雖然濾餅量減少，但因過濾比阻上升，導致濾
速降低。
M.
Balakrishnon
and G. P.
Agarwal [67]
1996
利用同軸迴轉掃流過濾器(Vortex Flow Filter)以 3 種
蛋白質，探討操作條件與溶液特性對於濾速衰退的影
響。研究發現，隨操作壓力增加，濾速亦會增加，但並
無線性關係；增加旋轉速度產生的剪應力會大於增加軸
向掃流速度所產生的剪應力，且同時會伴隨著泰勒渦流
(Taylor Vortices)產生，因而提高濾速。而在溶液特性
方面，溶液濃度增加，會降低濾速。而溶液 pH 值會影響
蛋白質帶電狀況，帶正電時，會與薄膜排斥，因而提高
濾速；帶負電時，會吸附於薄膜，因而降低濾速。
45. 33
2.4 外加電場掃流薄膜過濾(Crossflow Electro-membrane Filtration)
在傳統掃流薄膜過濾程序中，濃度極化、濾餅形成、薄膜阻塞等問題
是造成過濾時濾速衰減的主要原因。利用溶液中顆粒帶電特性，外加電場
的應用確實能降低、防止濾餅形成，有效提高濾液流速；而利用外加電場
來改善掃流薄膜過濾成效的應用已經有相當長的一段時間，相較於其他防
止濃度極化與濾膜阻塞的技術，不但可完全避免不必要缺點，濾速更可提
昇數倍。而 Jagannadh 與 Muralidhara[68]對於利用電動力方法來控制薄
膜阻塞的各種機制有詳細整理與討論。另外，Huotari 等人 [69]，在外加
直流電場之掃流薄膜過濾程序應用方面，亦針對其系統設計、理論分析及
應用做一文獻回顧與整理，主要結論包含有：(1)所施加之電場強度必須接
近臨界電場強度，以獲得最大效益；(2)在掃流薄膜過濾中，電滲透的影響
相當小，但在電場穿越薄膜的應用及薄膜界達電位很顯著時，電滲透效應
相形重要；(3)除了濾速提昇外，電場效應亦可改善濾液品質；(4)過濾系
統的設計會影響到電場強度均勻分布與否，以及電能損耗狀況，且良好的
設計可以避免電極反應對於過濾成效的影響。
2.4.1 過濾系統設計
目前關於電過濾系統設計有兩種，一種是所施加的電場穿越薄膜
(Across the Membrane)，兩電極置於薄膜兩側；另一種是以薄膜作為其中
一個電極，如圖 2-5 所示[69]。通常，穿越薄膜式的電場應用較廣泛[69，
70]，常應用在平板狀(Flat)、管狀(Tubular)、螺旋狀(Spirally)等 MF 與
UF 過濾單元上。Wakeman 及 Tarleton[71]根據顆粒移動軌跡來比較平板
狀、管狀與多管狀過濾單元，研究發現，管狀過濾系統設計在防止薄膜阻
塞方面及對於電能的應用是最有效率的。
另一種外加電場過濾系統則是以薄膜作為電極的設計，薄膜材質可以
是金屬、碳或任何導電性材料[33，72，73]；此類的系統設計較簡單，且
電極間所產生的阻力相對較小，耗能較低，但許多由於電化學效應所產生
的影響卻更複雜，目前應用不廣。
46. 34
(a) － ＋ (b)
陰極 陽極 ＋ － 濾液流
陽離子 陰離子
e-
e-
陽極
進料流
濾液流
進料流
圖 2-5. 掃流電過濾系統：(a)電場穿越過平板式薄膜；(b)管狀薄膜為一電
極[69]
－
陰極
薄膜
48. 36
供應下，帶電顆粒或膠體的遷移速率(õp )求得；其中，電泳遷移率
( Electrophoretic Mobility，up )等於遷移速率除以電場，界達電位(ζ)
即可由 Smoluchowski Equation 求得，而此方程式適用於大部分水溶液中
的顆粒[75]：
η
εξυ
==
E
u P
P (Smoluchowski Equation)(式 1)
其中，ε為溶液介電常數；η為黏滯度。
在電滲透效應方面，唯有在所供應電場是穿過薄膜的過濾系統中，電滲
透影響才須考慮。但若希望濾速主要是受到電滲透影響而達到提昇效果，
那麼薄膜與顆粒之界達電位必須同性，意即，若兩者電性相斥，帶動滲透
流而穿越薄膜的顆粒，便不會被薄膜孔徑吸附，而造成薄膜阻塞；另外，
薄膜表面若有濾餅形成，濾餅亦會造成電滲透流效應[69]；根據不同之研
究結果，電滲透效應所造成之濾速提昇，最大達 15﹪[70]及 19﹪[78]。在
掃流薄膜過濾的應用中，電滲透效應通常被忽略，故穿越過薄膜的濾液流
便以水力效應(Hydrodynamic Effects)為主要影響因素，而電泳現象被視
為是濾速提昇的主要效應[79]。
(2)電極板上的電化學反應[69]
電化學效應是電極間電荷轉移所產生的化學反應，可能會有氣泡產生、
顆粒沉積、電極分解或新物種形成等。在陰極，會有某些穩定物種產生，
而反應類型主要與溶液中物種有關，在沒有重金屬離子的水相系統中，典
型的陰極反應是氫氣的產生：
2H2O ＋ 2e-
H2 (g) ＋ 2OH-
(cathode) (式 2)
在陽極，某個穩定物種被氧化：
2H2O O2 ＋ 4H＋
＋ 4e-
(anode) (式 3)
當溶液中的導電度增加，電流密度亦會增加，高電流密度代表氧化還
49. 37
原半反應劇烈，而造成電極上更多的電化學反應。研究 [73] 指出，有效
率的外加電場掃流薄膜過濾，其導電度須控制在 0.10~10 mS/cm，否則，溶
液導電度過低，會降低電場效率；然而，由於電泳效應可以有效防止薄膜
阻塞，即使在相當低的導電度下，＜10μS/cm，欲達數倍濾速提昇亦是有
可能的[74]；另一方面，在過濾過程中，電化學反應中的陽極氧化反應亦
被視為是移除溶液中有機物的有效方法[69]。綜合上述，電極反應對於外
加電場掃流薄膜過濾的影響應被更深入探討。
(3)臨界電場強度(Critical Electric Field Strength)[70]
當溶液中的顆粒移往薄膜方向的淨顆粒遷移速率等於零時，此時的電場
強度即所謂臨界電場強度[79]。當所施加的電場強度小於臨界電場強度
時，顆粒會有移往薄膜的淨遷移，而造成濾餅/膠凝層(Gel Layer)形成；
當所施加的電場強度超過臨界電場強度時，顆粒所受電泳作用力會大於對
流作用，且薄膜附近的顆粒濃度最低，其過濾現象如圖 2-6 所示[80]。在
臨界電場強度時，濾速控制機制主要是電泳效應，且濾速與掃流速度無關；
但當電場強度超過臨界電場強度時，其對於濾速並沒有明顯影響。臨界電
場強度可由實驗求得[74，79]，亦可由計算式求得：
P
cricital
u
J
E = (式 4)
其中，J：當濃度極化效應與濾餅忽略時，既定過濾壓差下之濾速；
up：顆粒的電泳遷移率。
51. 39
2.4.3 外加電場掃流薄膜過濾中之顆粒受力狀況
在外加電場掃流薄膜過濾程序中，沉積特性可藉由鄰近薄膜或濾餅層的
顆粒之受力平衡狀況(Force Balance)描述之[81]，顆粒受力狀況如圖 2-7
所示。當濾液流導致之黏滯拖曳力(Viscous Drag Force)Fperm 大於反方向的
浮昇力(Re-entrained Force)Flift 時，顆粒便會沉積，拖曳力 Fperm 與浮力 Flift
可由下列方程式求出：
Fperm ＝3πdηλνperm (式 5)
Flift ＝
η
ρτ 5.035.1
W d
761.0 (式 6)
其 中 ， d 為 顆 粒 直 徑 ， η 為 流 體 動 黏 滯 度 ， λ 為 濃 度校 正 係 數
(Concentration Correction Coefficient)，νperm 為濾速，τw 為剪應力
(Shear Stress)，ρ為流體質量密度。另外，還有顆粒間的交互作用，而
對於粒徑小於 0.3μm 的顆粒而言，擴散作用就必須被列入沉積行為的考慮
中[82]。而電場 E 作用所造成之電泳力 Fep ：
Fep＝3πdηλuPE (式 7)
在過濾過程中，當顆粒受力達力平衡狀況時，亦即 Fperm＋Flift＋Fep＝0，稱為
過濾的穩定狀態，此時顆粒完全遠離濾膜表面，不會形成濾餅。
53. 41
表 2-10 外加電場掃流薄膜過濾程序之相關研究
作者 年代 主要研究成果摘要
J. D. Henry,
L. F. Lawer
and C. H. A.
Kuo.[83]
1977
以垂直式平板狀外加電場掃流薄膜過濾，分離高嶺土懸
浮液及油水乳化液。發現操作在高於臨界電場強度時，
兩者之濾速皆有隨掃流速度增大而降低的趨勢，此乃因
為電泳效應使濾膜表面顆粒濃度較低，而當增高掃流速
度時，反而易將顆粒帶往濾膜表面，造成薄膜阻塞。當
以低於臨界電場強度分離高嶺土懸浮液時，發現在層流
狀態下，濾速受掃流速度影響不大；但在紊流狀態下，
濾速會隨掃流速度增加而提高。
R. J. Wakeman
and E. S.
Tarleton[84]
1986
當電場強度高於臨界電場強度時，由於顆粒可完全遠離
濾膜表面，故可用較大孔徑的濾膜來提高濾速。當溶液
導電度過高時，不易產生所需電場強度，且會導致焦耳
熱效應，影響過濾成效。另外，為了降低能源消耗及減
少氣泡產生，使用脈衝電場(Pulsed Electric Field)
進行操作，發現提高脈衝頻率，可以得到較高的濾速，
且其平均穩定狀態濾速高於持續電場者。
C. Visvanathan
and R. A.
Aim[85]
1989
本研究指出，外加電場掃流薄膜過濾的最佳操作狀況分
別是低過濾壓差及低於臨界電場強度等條件下。探討電
場強度、過濾壓差及掃流速度對於濾速的影響時，發現
在較低電場強度時，隨著掃流速度與過濾壓差之增高，
濾速亦會提昇；但當電場強度大於某一臨界值，掃流速
度對於濾速影響不顯著，且若提高過濾壓差，反而導致
濾速衰減，推測是過高壓差造成濃度極化及粒子附著作
用增強，使過濾阻力增高。
W. R. Bowen
and H. A.
Sabuni [86]
1991
為了避免電能消耗及焦耳熱效應影響，利用具電極作用
的薄膜，以施加脈衝電場的方式進行掃流電場過濾。研
究發現，藉由電泳效應以及電極表面所生氣泡，對濾餅
所生之浮除作用，可減少濾餅累積量。
R. J. Wakeman
and E. S.
Tarleton [87]
1991
結合電場與超音波作用，利用電場產生之電泳效應，減
少濾餅累積，以及超音波震盪造成濾餅空化現象
(Cavitation)，增加濾餅孔隙率，確實可達到濾速增高
的效果。
54. 42
表 2-10 外加電場掃流薄膜過濾程序之相關研究(續)
作者 年代 主要研究成果摘要
R. J. Wakeman
and M. N. Sabri
[88]
1995
利用平板式外加電場掃流薄膜過濾，以固定電場與脈衝
電場方式探討電場強度與脈衝區間對於濾速與總能源消
耗的影響，並以 NPF(Normalized Power Factor)來比較
經濟效應。研究發現，固定電場與脈衝電場都能有效降
低薄膜阻塞；但固定電場操作下，其濾速與能源消耗皆
最大，能源應用較有效率；對於脈衝電場而言，脈衝頻
率較小者，有較大的最高濾速及較小的最低濾速，且脈
衝電場平均流量小於固定電場者；若欲達低 NPF 值，則
需在高電場強度、低掃流速度、高過濾壓差及分散度佳
的懸浮液等條件下。
G.Akay and
R.J.Wademan
[89]
1997
利用外加電場掃流薄膜過濾處理與界面活性劑結構相似
的 HMWSP (Hydrophobic Modified Water Soluble
Polymers )，研究發現，在外加電場作用下，濾速約提
昇了 10 倍，是移除 HMWSP 相當好的技術；且 HMWSP 的濃
度極化與溶質攔截機制與一般界面活性劑懸浮液不同，
其所形成的膠凝層(Gel Layer)不會成為類似第二層薄
膜的穩定結構。
S. Hong, Ron
S. Faibish
and
M. Elimelech
[90]
1997
由實驗結果與模式預測結果，證明掃流薄膜過濾中，當
膠體懸浮液的濃度高且顆粒較小時，其濾速衰減會隨著
過濾壓差增大而更加迅速。
B. W.
Robinson,
M. H. Siegel,
A. Condemine,
C. Fee, T. Z.
Fahidy and B.
R. Glick [91]
1993
將傳統掃流超過濾系統(CUF)改良成電場穿越薄膜的脈
衝式電場掃流過濾(PEF-UF)系統，發現在濾膜表面有較
低的蛋白質濃度，且阻抗較低。利用 PEF-UF 分離
BSA(Bovine Serum Albumin)溶液，相較於傳統掃流 UF，
有較高的濾速且濃縮速率較高。儘管 PEF-UF 會增加設置
成本及能源消耗，但卻可降低操作成本、總薄膜表面積、
過濾壓差及幫浦的需求量。
55. 43
表 2-10 外加電場掃流薄膜過濾程序之相關研究(續)
作者 年代 主要研究成果摘要
S. Lentsch,
P. Aimar and
J. L. Orozco
[92]
1993
利用 UF 從聚乙二醇(Poly Ethylene Glycol，PEG)中分
離出 BSA (Bovine S erum Albumin)是不容易的，因為 BSA
的濃度極化現象成為 PEG 穿越多孔薄膜的障礙。但外加
電場卻能達相當好的分離成效。藉著從邊界層移除帶電
蛋白質，使得 PEG 濾速提昇，而 BSA 的高攔截率亦可維
持，亦即，可達較佳的分離成效。
K. Okada,
T. Nagase,
Y. Ohinshe,
A. Nishihan
and
Y.Akagi[93]
1997
利用外加電場掃流微過濾系統，針對兩種微生物細胞
(Baker's Yeast 及 Rhodotorula Glutinis)及樹脂顆粒
(PMMA)做分離效果之研究。研究發現，對於 Baker's
Yeast 溶液而言，未加電場時，掃流速度對於濾速的影
響很小；電場的施加能移除生物性濾餅，而有效增加濾
速。另外，在電場作用下，相較於 PMMA 懸浮液，對於微
生物懸浮液之濾速的提昇較有助益。且藉由濾速預估模
式得知，在外加電場作用下，對於濾速的改善，電泳效
應的影響比電滲透效應顯著的多。
T. Weigert,
J. Altmann
and
S. Reppeerger
[94]
1999
本研究是模廠化之外加電場掃流薄膜過濾程序的相關結
果探討。對於無機性懸浮液，外加電場者之濾速幾乎是
未施加電場者之 10 倍；而從濾速來看，可知固定電場者
之過濾成效遠佳於脈衝電場者。對於酵母菌懸浮液而
言，脈衝電場的過濾成效佳於固定電場者；因此，若想
得佳好的過濾效果，無機懸浮液適用固定電場操作，微
生物懸浮液適用於脈衝電場操作。隨著懸浮液導電度增
高，顆粒電泳遷移率會降低，就固定電場而言，低導電
度的懸浮液有較高的濾速。
56. 44
第三章 實驗材料、設備與實驗設計
3.1 實驗材料
本研究之實驗材料有兩種，一是採集自台南科學園區某半導體晶圓製
造廠之化學機械研磨製程廢水(此 CMP 廢水包含研磨廢液及研磨後清洗廢
水)，為 A 廠 CMP 廢水，該廠該廢水產生量超過 100 噸/日，；以及自新竹
科學園區某半導體晶圓製造廠之化學機械研磨製程廢水，為 B 廠 CMP 廢
水，該廠該廢水產生量超過 500 噸/日。兩廠之 CMP 廢水外觀皆呈乳白色。
3.2 外加電場掃流微過濾系統實驗裝置
本研究所採用之外加電場掃流微過濾系統係自行設計訂作，如圖 3-1
所示。過濾區部分係由兩塊寬約 12cm、長約 16cm 的壓克力板組成；於上
板底部及下板頂部分別刨出長約 10cm、 寬約 5.6cm、高約 0.4cm 的流體流
動溝槽，而實際流體流動孔道約 0.2cm，而多孔性金屬電極板、支撐濾膜之
塑膠墊片及濾膜即置於兩溝槽間，過濾只在此區域進行；過濾區間約為 10cm
×5.6cm×0.9cm；有效過濾面積約為 38.12cm2
。
本研究所需之電場是由過濾區之電極板供應，正電極板為鈦網材質；
負電極板為不銹鋼網材質，兩電極板距離為 0.3cm。為避免施加電場時，電
極板上所產生之電化學反應影響過濾進行，於負電極板上以不織布阻隔；
而掃流速率是以浮子流量計配合流量控制閥調整；過濾壓差則由高壓幫浦
的壓力控制閥控制；過濾過程中，濃縮之懸浮液則循環回原液槽，所得之
濾液重則由連接個人電腦之電子天平連續監測記錄。
58. 46
3.3 外加電場掃流微過濾實驗步驟
1. 取約 5 公升之 CMP 製程廢水，先行利用 1.2μm 的玻璃纖維濾紙進行預
過濾，將 CMP 廢水中較大之顆粒去除，再以此預過濾後之液體作為本
研究微過濾實驗之原液，倒入原液槽中。
2. 將微過濾系統就緒，設定好電源供應器之電壓輸出。
3. 開啟高壓泵浦，使 CMP 廢水母液通過過濾區循環回原液槽，於 20 秒內
調整流量控制閥及壓力控制閥，至所設定之掃流速度與過濾壓差值。
4. 約 20 秒後開始收集濾液，電腦定時記錄電子天秤上之讀數。過濾操作
時間為 2 小時；操作期間原液槽以磁石攪拌方式保持原液均質化。
5. 經 2 個小時操作後，在過濾壓差、流量固定條件下，馬上改以清水通過
過濾區，同時切斷電場供應，以移除電極板面附著之粒子，約經 20 秒
操作，隨即關掉高壓泵浦，停止濾液收集。
6. 估算濾速及分析濾液品質。
7. 為避免濾膜內部阻塞及逆洗效果不彰而影響實驗結果，本研究每次皆以
新濾膜重複步驟 1~6，以探討電場強度、過濾壓差、掃流速度、濾膜孔
徑等對於濾速與濾液品質之影響。
59. 47
3.4 相關儀器設備
1.電子天平：美國製，Ohaus，N0D110 型，有效讀數 0.1g，最大秤重 4100g，
用來量取濾液量。
2.電源供應器：台灣製，Good Will，PPT-3615 型，用作直流電源。
3.電磁攪拌器：美國製，Corning，PC-420 型，用以攪拌原液使其均勻化。
4.微過濾濾膜：
(1) 菁泉科技股份有限公司製，材質為聚偏二氟乙烯(PVDF)，濾膜孔徑
0.1 µm；材質為聚石風 物(Polysulfone)，濾膜孔徑 0.01µm。
(2) 英國製，PALL 公司，材質為聚偏二氟乙烯(PVDF)，濾膜孔徑 0.2
µm。
5.粒徑分析儀：
(1) 英國製，Malvern，4700 型，檢測粒徑範圍為 3 ~3000 nm。
(2) 美國製，BIC，BI-XDC 型，檢測粒徑範圍為 10~100000 nm。
6.界達電位分析儀：美國製，Zeta Meter System 3.0 ＋。
7.濁度計：美國製，HACH，2100P 型，用以檢測水樣濁度。
8.總有機碳分析儀：美國製，O.I. Analytical，TOC 700 型，用以檢測水樣中
TOC 濃度。
9.石墨爐式原子吸收光譜儀：澳洲製，Varian，Spectr AA 880z 型，用以檢
測水樣中的矽與鋁濃度。
10.火焰式原子吸收光譜儀：日本製，Shimadzu， AA 660 型；日本製，
Hitachi，8000 型；用以檢測水樣中鐵、鉀、鈣、鎂、銅濃度。檢測極限
分別為，鐵：0.005mg/L；鉀：0.02mg/L；鈣：0.04mg/L；鎂：0.0035mg/L；
銅：0.05mg/L。
11.pH 計：德國製，WTW， pH537 型。
12.離子層析儀：美國製，DIONEX，DX-100 型，Column 型號：AS4A-SC，
用以檢測水樣中 SO4
2-
、Cl-
。
13.導電度計：瑞士製，METTLER TOLEDO，MX300 型，用以檢測水樣導
電度。
61. 49
3.5 外加電場掃流微過濾之實驗設計[95-98]
3.5.1 田口式實驗設計法-L9 直交表
田口式實驗設計法(Taguchi Method)的精神在於取代傳統耗時的逐一因
子試誤法，並能同時考慮各影響因子間可能的交互作用及相互關聯，透過
適當的實驗配置(例如：直交表的利用)，加以實驗並進行實驗數據的統計分
析，不但能有效節省實驗時間，並可得更加嚴謹、具代表性、有競爭力的
最佳化結果。故田口式實驗設計法儼然已成為工業界技術研發及品管上的
致勝法寶。
實驗設計之所以能有效減少實驗組數的利器，主要在於直交表的配
置，其種類相當多，總共有 18 種，其中，最常使用的包括有 L8(23
)、L9(34
)、
L16(215
)、L27(313
)、L32(231
)等。本研究乃採用田口式實驗設計法-L9
直交表之
實驗配置，以及應用對實驗結果之參數設計特性值、變異數分析、正規分
析等，探討影響外加電場掃流微過濾系統之濾速與濾液品質的主要控制參
數，並推估以外加電場掃流微過濾處理 CMP 廢水之最佳操作條件。
L9 直交表之實驗配置為選定 4 個實驗因子，各因子有 3 個水準數，透
過直交配列方式，將原本傳統之 34
=81 組實驗簡化成 9 組。本研究選擇以電
場強度、掃流速度、過濾壓差與濾膜孔徑作為四項實驗因子，其 L9 直交表
配列如表 3-1 所示。各實驗因子的選定及水準範圍之訂定，主要考量是在於
配合初始 CMP 廢水性質條件下，影響本研究外加電場掃流微過濾系統的主
要影響因子，並多方參考其他文獻之操作值[11，12，41，87，89，95]。
依 L9 直交表配置之 9 組不同配比進行外加電場掃流微過濾實驗，然後
針對所得濾液之濾速、濾液品質及能源消耗等結果進行特性值分析與變異
數分析，探討各實驗因子對於濾速與濾液品質的效果貢獻率，進而找出影
響外加電場掃流微過濾系統的主要影響因子。由特性值(S/N 比)之正規分析
所得之回應圖表推估出最佳操作條件；再藉變異數分析決定影響濾速及濾
液品質特性的顯著影響因子，並綜合特性值與變異數分析所推估之實驗結
63. 51
表 3-1 外加電場掃流微過濾之 L9 直交表配置
實驗因子
實驗組別
電場強度 掃流速度 過濾壓差 薄膜孔徑
1 1 1 1 1
2 1 2 2 2
3 1 3 3 3
4 2 1 2 3
5 2 2 3 1
6 2 3 1 2
7 3 1 3 2
8 3 2 1 3
9 3 3 2 1
實驗因子
水準數
電場強度
(V/cm)
掃流速度
(cm/s)
過濾壓差
(kg/cm2
)
薄膜孔徑
(μm)
1 0.5 17.36 0.562 0.1
2 1.1 29.76 1.406 0.2
3 2.2 49.60 2.812 0.01
註：1 psi＝0.07031 kg/cm2
＝51.717 mmHg＝6895.06 Pa
0.562 kg/cm2
= 8 psi
1.406 kg/cm2
= 20 psi
2.818 kg/cm2
= 40 psi
64. 52
3.5.2 L9 直交表實驗結果分析
(1) 參數設計的特性值(S/N 比)
所謂 S/N比，原是通訊中經常使用的用語，即訊號雜音比( Signal to Noise
Ratio)。在田口式實驗設計中，S/N 比是用來當作特性值的解析，探討特性
的變異(誤差)大小，用以衡量品質的穩定性。利用不同實驗水準組合，探討
其實驗結果之特性值的平均與變異，使品質特性變異小，以達品質改善之
效，並依據需求選擇適當之品質特性作為目標標準，進而找出最佳操作條
件。品質特性一般可分為望大特性、望小特性、望目特性等。
(a) 望大特性(The -Larger-The-Better)
望大特性是指非負數值且值越大越好的特性；亦即，當平均值越大，
變異越小的傾向。例如：在本研究中，濾液流量即為越大越好的特性。
S/N =η= -10 log ∑
=
n
i iyn 1
2
11
其中，n 為實驗組數；yi 為實驗結果值。
(b) 望小特性(The -Smaller-The-Better)
望小特性是指非負數值且值越小越好的特性；亦即，當平均值越小，
變異越小的傾向。例如：在本研究中，有關濾液品質的總有機碳濃度、矽
濃度等，以及能源消耗等即為越小越好的特性。
S/N =η= -10 log ∑
=
n
i
i
y
n 1
21
(c) 望目特性(The -Nominal-The-Better)
以有限的目標值為最適當，不希望在任何地方發生變異的特性值，稱之
為望目特性。在本研究中，由於沒有目標值考量，所以不考慮此特性。
S/N =η= 10 log
( )
e
em
V
VS
n
1 −
其中，Sm ：一般平均變動； Ve ：誤差變異數。
66. 54
(a) 回應值計算
A：A1＝y1 +y2 +y3 1A ＝A1/3 B：B1＝y1 +y4 +y7 1B ＝B1/3
A2＝y4 +y5 +y6 2A ＝A2/3 B2＝y2 +y5+y8 2B = B2/3
A3＝y7 +y8 +y9 3A ＝A3/3 B3＝y3 +y6+y9 3B = B3/3
C：C1＝y1 +y6+y8 1C ＝C1/3 D：D1＝y1 +y5 +y9 1D ＝D1/3
C2＝y2 +y4 +y9 2C ＝C2/3 D2＝y2 +y6 +y7 1D = D2/3
C3＝y3 +y5 +y7 3C ＝C3/3 D3＝y3 +y4 +y8 1D =D3/3
(b) 無目標值的變動
(i) 總變動 ST ＝y1
2
＋y2
2
＋y3
2
＋… ＋yn
2
－CF (f＝n－1＝8)
修正因子 CF＝
( )
n
yyy n
2
21 ... +++
(f＝1)
n 為實驗數據個數；f 為自由度。
(ii) 考慮各因子影響的變動
SA ＝
3
AAA
2
3
2
2
2
1 ++
－CF (f＝a－1＝2)
SB ＝
3
BBB
2
3
2
2
2
1 ++
－CF (f＝2)
SC ＝
3
CCC
2
3
2
2
2
1 ++
－CF (f＝2)
SD ＝
3
DDD
2
3
2
2
2
1 ++
－CF (f＝2)， a 為水準數。
(iii) 誤差變動 Se
Se＝ST－(SA＋SB＋SC＋SD) (f＝n－a＝6)
(c) 變異數 V
VA＝SA/2 VB＝SB/2
VC＝SC/2 VD＝SD/2
Ve＝Se/6
67. 55
(d) 變異比 F0
比較 VA 、VB 、VC 、VD 四項，最小者須併入誤差項計算。
FA＝VA/Ve FB＝VB/Ve
FC＝VC/Ve FD＝VD/Ve
(e) 純變動 S'
S'A＝SA－2×Ve S'B＝SB－2×Ve
S'C＝SC－2×Ve S'D＝SD－2×Ve
S'e＝Se＋6×Ve
(f) 貢獻率ρ（﹪）
ρA＝
T
A
S
'S
×100﹪ ρB＝
T
B
S
'S
×100﹪
ρC＝
T
C
S
'S
×100﹪ ρD＝
T
D
S
'S
×100﹪
(g) F 檢定
在進行貢獻率計算之前，通常須先做定性評價的檢定，習慣上常使用 F
表(見附表 1)來判定，稱為 F 檢定。主要是考慮實驗因子是否具有明顯變異，
經過檢定後，若認為有真正貢獻效果，則稱為具有顯著性。
F 表中的界限值係以幾乎不可能的程度來說明，有機率 5﹪及機率 1﹪
兩種，此機率可稱為冒險率。F 表的利用方式，係以誤差項的自由度為分母，
各實驗因子的自由度為分子，查得 F 值。當各實驗因子的變異比 F0 較冒險
率 5﹪之 F 值大，但較冒險率 1﹪之 F 值小時，則稱為在冒險率 5﹪下有顯
著性，加註＊符號表示；而當 F0 較冒險率 1﹪之 F 值大時，則稱為在冒險
率 1﹪下有非常顯著性，加註＊＊符號表示；另外，F0 較冒險率 5﹪之 F 值
小者，可說是不具顯著性。一般僅針對有加註＊符號者之實驗因子進行貢
獻率計算。
