AOP dan Karbon Aktif untuk Limbah Photolithography Semikonduktor

Di balik wafer yang kian kecil dan cepat, ada satu arus besar yang jarang disorot: air limbah dari area photolithography. Campurannya bukan main—dari propylene glycol monomethyl ether acetate atau PGMEA (pelarut utama), ethyl lactate, isopropanol, fragmen polimer photoresist fenolik, surfaktan berbasis amina, hingga developer tetramethylammonium hydroxide atau TMAH (basa kuat) www.researchgate.net .

Sampel limbah lithography untuk color-filter tercatat sangat basa, pH ≈11,5, dengan total organic carbon atau TOC (total karbon organik) ≈430 mg/L pada aliran bilas representatif—sementara kekeruhan (NTU, satuan kekeruhan) bisa mencapai ratusan NTU patents.google.com. Kombinasi organik ini cenderung “bandel” terhadap pengolahan biologis konvensional—TMAH sangat toksik bagi mikroba—sehingga tanpa pretreatment, IPAL utama akan terbebani dan rawan gagal memenuhi baku mutu www.researchgate.net.

Skalanya masif. Fasilitas semikonduktor Korea dilaporkan menghasilkan ~177.937 m³/hari air limbah total—mendekati 20% dari debit industri—menjadikan mitigasi di hulu mutlak dilakukan www.researchgate.net.

Baca juga: 

Aplikasi Umum Reverse Osmosis dalam Industri - Beta Pramesti Asia

Di Indonesia, regulasi seperti PP 22/2021 dan Permen LHK 5/2014 menetapkan batas ketat untuk BOD, COD (chemical oxygen demand, kebutuhan oksigen kimia), TOC, dan toksikan; COD lazimnya dibatasi sekitar 50–150 mg/L untuk buangan industri. Dengan ratusan mg/L organik, limbah photolithography jelas melampaui batas bila tanpa pretreatment. Memisahkan aliran ini dan memangkas organiknya secara agresif meringankan beban IPAL utama sekaligus menopang inisiatif reuse.

Tekanan global untuk daur ulang air juga meningkat: satu laporan industri memproyeksi konsumsi air sektor semikonduktor akan berlipat dua pada 2035, sementara produsen besar seperti TSMC telah mendaur ulang lebih dari separuh air prosesnya www.idtechex.com. Pretreatment efektif—terutama untuk menyingkirkan organik toksik—adalah kunci menuju reuse.

Advanced oxidation untuk organik fotolitografi

AOP (advanced oxidation processes, oksidasi lanjutan) memanfaatkan radikal hidroksil ·OH yang sangat reaktif untuk memineralisasi senyawa organik. Variannya meliputi UV/H₂O₂, ozonasi (O₃), UV/O₃, peroxone (O₃/H₂O₂), dan photo‑Fenton (Fe²⁺/H₂O₂ + UV). Pada limbah photolithography, AOP mampu memecah pelarut persisten dan fragmen resist yang tak tersentuh biologi www.researchgate.net.

Studi Wu dkk. (2008) pada PGMEA menunjukkan dalam kondisi basa (pH≈10), 60 menit ozonasi menghilangkan 62,4% PGMEA, tapi menjadi 100% dengan UV/O₃ dan 90% dengan O₃/H₂O₂—menandakan kombinasi UV mempercepat oksidasi www.researchgate.net. Den dkk. (2002) menguji reaktor UV/H₂O₂ (60 menit, UV≈15,6 mW/cm²) diikuti biofiltrasi dan mencatat >95% pengurangan TOC untuk lima dari enam organik uji (propylene glycol MEA, ethyl lactate, TMAH, isopropanol, fenol); hanya NMP yang resisten. Kombinasi UV/H₂O₂ + biodegradasi itu pada dasarnya memineralisasi >95% target organik www.researchgate.net www.researchgate.net.

Dari sisi desain, opsi praktis adalah beberapa CSTR (continuous stirred tank reactor) atau reaktor aliran sumbat (plug flow) berlampu UV dengan injeksi H₂O₂, atau injeksi ozon plus UV—bahkan UV yang turut menghasilkan O₃—untuk memaksimalkan pembentukan ·OH patents.google.com. Pengamatan Den dkk. menunjukkan pH asam–netral (≈6–8) efektif untuk UV/H₂O₂ www.researchgate.net www.researchgate.net, sementara Wu dkk. menemukan pH basa (~10) menguntungkan untuk proses berbasis ozon www.researchgate.net. Karena itu, limbah litho yang cenderung basa (TMAH/KOH, sering pH>11) mungkin perlu dinetralkan sebagian sebelum UV/H₂O₂ untuk membatasi dekomposisi H₂O₂ dan mengoptimalkan AOP yang dipilih.

Target kinerja realistis: pemotongan COD/TOC >80–90%, misalnya ≥90% pengurangan TOC dari ~430 mg/L menjadi <43 mg/L, selaras tolok ukur studi patents.google.com www.researchgate.net. Secara peralatan, reaktor UV bertekanan medium dengan intensitas 15–20 mW/cm² lazim dipakai, dengan injeksi H₂O₂ yang presisi menggunakan dosing pump; untuk hardware UV, reaktor dan lampu dapat diselaraskan dengan sistem ultraviolet industri.

Baca juga:

EDI (Electrodeionization)

Setelah AOP, GAC (granular activated carbon, karbon aktif granular) menjadi langkah polishing yang menangkap sisa organik. Tinjauan teknologi EPA menyebut GAC “mengadsorpsi kuantitas kecil organik terlarut… dan logam berat yang tersisa dalam air limbah” nepis.epa.gov. Desainnya umumnya kolom fixed‑bed aliran turun dengan underdrain, dilengkapi backwash untuk mencegah penumpukan headloss berlebih nepis.epa.gov. Waktu kontak 10–30 menit lazimnya cukup untuk menghapus >90% organik residual level rendah.

Data adsorpsi juga menunjukkan GAC mampu menyerap TMAH; material baru seperti graphene oxide bahkan mencatat kapasitas hampir dua kali lipat dibanding GAC konvensional untuk TMAH—menegaskan afinitas karbon terhadap developer amina dan produk sampingnya www.mdpi.com. Dalam praktik, GAC yang jenuh diregenerasi off‑site atau diganti. Untuk media, opsi industri tersedia sebagai activated carbon granular.

Skema pretreatment terintegrasi

Rangkaian kokoh untuk aliran photolithography mencakup: (1) equalization/settling untuk buffer pH dan beban; (2) penyesuaian pH—netralisasi KOH/TMAH dengan asam bila perlu sebelum AOP—yang bisa diotomasi via dosing pump; (3) reaktor AOP—UV/H₂O₂ (CSTR) atau kontaktor ozon dengan/atau UV—dengan waktu tinggal ~0,5–1 jam; (4) removal padatan—misalnya pengendapan atau filtrasi untuk mengeluarkan polimer terflok; satu paten Kurita menulis bahwa flokulasi resin fenolik dapat menjernihkan limbah litho patents.google.com; (5) polishing GAC di kolom fixed‑bed. Tahap padatan praktis ditopang unit pengendapan kompak seperti lamella settler, dan filtrasi akhir dapat memakai cartridge filter. Di hulu, pra‑penyaringan dan pengangkatan minyak pada sistem pemisahan fisik air limbah membantu menstabilkan operasi.

Rangkaian ini secara konsisten menurunkan COD/TOC >90% dari aliran litho. Pada studi terpublikasi, kombinasi AOP memberikan reduksi dramatis—>95% untuk pelarut target www.researchgate.net—sementara pemantauan TOC masuk–keluar dari ~400–500 mg/L menuju puluhan mg/L membuat beban yang mencapai IPAL utama setara limbah domestik patents.google.com.

Kinerja terukur dan arah industri

Secara analitis, pretreatment ini memberikan penurunan COD/TOC 80–100% bergantung komposisi, dengan efluen berpotensi <50 mg/L. Contohnya, penghilangan PGMEA 100% terdokumentasi di UV/O₃ selama 60 menit www.researchgate.net. Den dkk. menunjukkan hampir semua pelarut photolithography dieliminasi (residu NMP ≤35%) setelah AOP+bio www.researchgate.net. Polishing karbon aktif kemudian memastikan sisa organik—termasuk asam karboksilat dari oksidasi parsial—tertangkap untuk mencapai target mutu.

Dampaknya bukan hanya kepatuhan, melainkan pijakan reuse. Tren industri menunjukkan pabrikan agresif menekan buangan: SK Hynix meningkatkan reuse 51% pada 2020–2023 www.idtechex.com. Integrasi pretreatment AOP–GAC sejalan dengan target “zero‑discharge” dan tujuan sustainability.

Baca juga:

Desain Treatment Limbah CMP di Fab agar Lolos Baku Mutu 2026

Data komposisi, pH ≈11,5, TOC ≈430 mg/L, dan kekeruhan ratusan NTU diambil dari paten Kurita untuk klarifikasi limbah litho patents.google.com patents.google.com. Skala debit pabrik dan urgensi mitigasi di sumber diulas di www.researchgate.net. Benchmark AOP (UV/H₂O₂; ozonasi, UV/O₃, peroxone, photo‑Fenton), pengaruh pH, dan intensitas UV (15–20 mW/cm²; uji 15,6 mW/cm²) dirujuk dari Den dkk. dan Wu dkk. www.researchgate.net www.researchgate.net www.researchgate.net, dengan format reaktor (loop‑through, seri CSTR/plug flow) mengacu pada patents.google.com. Kinerja dan konfigurasi GAC bersandar pada dokumen rekayasa EPA nepis.epa.gov nepis.epa.gov, sementara kapasitas adsorpsi TMAH dibandingkan material baru dirujuk dari Birloaga dkk. www.mdpi.com. Tren konsumsi air dan reuse oleh TSMC dan SK Hynix tercantum di www.idtechex.com dan www.idtechex.com.