Slurry CMP (chemical–mechanical planarization) itu mahal dan berbahaya, tapi teknologi filtrasi, membran, dan proses elektro kini membuatnya layak dipulihkan dan dipakai ulang. Angkanya tegas: efisiensi >90% untuk partikel dan logam, biaya kimia terpangkas, dan kepatuhan limbah B3 terjaga.
Pasar CMP slurry global bernilai sekitar ~US$139 juta pada 2023 dan diproyeksikan ~US$243 juta pada 2030 (CAGR ≈8,3%) menurut semiconductorinsight.com. Di sisi lain, slurry bekas mengandung partikel nano pembawa logam (silika, alumina/ceria, oksida Cu/W, fluorida, organik) yang mengklasifikasikannya sebagai limbah berbahaya. “Huge amounts of wastewater and sludge are generated” selama CMP, tegas Lee dan Liu (researchgate.net).
Dalam aliran limbah Cu–CMP, temuan lapangan menunjukkan 5–35 ppm Cu terlarut plus 500–1500 ppm H₂O₂ dan berbagai organik, dengan batas efluen Cu sekitar 2 ppm untuk memenuhi izin (electramet.com). Pembuangan tanpa perlakuan akan melanggar regulasi lingkungan (mis. Indonesian MOEF B3 waste rules) dan memicu biaya pembuangan tinggi. Kombinasi biaya kimia yang mahal dan limit efluen yang ketat inilah yang mendorong program pemulihan dan reuse slurry.
Rencana Tanggap Darurat Tumpahan Asam dan Solven di Fab Semikon
Profil kontaminan dan beban limbah CMPSlurry CMP adalah suspensi abrasif yang memadukan serangan kimia dan aksi mekanik untuk meratakan wafer (CMP: proses penghalusan wafer secara kimia–mekanik). Kandungan partikel nano dan aditif membuat beban TSS (total suspended solids), logam, dan bahan oksidator tinggi; hal ini selaras dengan pengamatan “sludge” dan air limbah yang besar dari studi Lee dan Liu (researchgate.net). Pada kasus Cu–CMP, data 5–35 ppm Cu dan 500–1500 ppm H₂O₂ menandakan tantangan ganda: toksisitas logam dan oksidator aktif (electramet.com).
Pemisahan fisik bertahap (filtrasi dan padatan)
Langkah awal daur ulang slurry adalah mengeluarkan padatan dan partikulat yang memicu cacat wafer. Industri menekankan pembersihan “large particle contaminants (LPCs)” karena beberapa partikel oversize saja bisa menggores wafer dan menurunkan yield (membrane-solutions.com). Praktiknya, filtrasi bertingkat dimulai dari filter kasar (bag/depth) lalu ke filter rapat sub-mikron; filter “high retention” mampu menurunkan kekeruhan >98% sebelum polishing membran. Rekomendasi multistage juga menargetkan LPC hingga <0,01 µm (membrane-solutions.com).
Pada tahap ini, pabrik sering menempatkan cartridge filter sebagai penjaring 1–100 mikron, dilanjut housing industri bertekanan seperti steel filter untuk aplikasi sub-mikron. Ketika flok dibutuhkan, penambahan flocculants memudahkan sedimentasi di tangki atau unit penjernihan kompak seperti lamella settler. Di salah satu studi limbah CMP, pretreatment ultrafiltration (UF) mengeliminasi 98,1–99,4% kekeruhan (liebertpub.com), sementara alat seperti centrifuge, separator magnetik, atau pemisah gravitasi dapat membantu penanganan solid. Filtrat yang dibuang (air lebih bersih dengan kontaminan terlarut) lalu diproses untuk pemulihan kimia terlarut atau dipoles ke mutu sangat tinggi.
Pemurnian berbasis membran untuk permeat dan konsentrat
UF silang-arus (pori ~0,001–0,1 µm) efektif memekatkan koloid abrasif dan menolak sebagian besar partikulat. Uji bench/plant menunjukkan UF menurunkan konduktivitas 42–47% (indikasi ion), kekeruhan 98–99%, dan TOC (total organic carbon) hingga 24,5% pada efluen CMP (liebertpub.com). Biasanya UF diikuti RO/nanofiltrasi untuk ion/organik terlarut; kombinasi UF+RO menurunkan konduktivitas menjadi ~6 µS/cm dan TOC ~1,6 mg/L, menghasilkan air yang mendekati mutu air keran/akuarium (liebertpub.com). Air hasil RO ini bisa dipakai ulang sebagai makeup atau umpan ke sistem ultrapure.
Untuk konfigurasi, paket RO, NF, UF lazim dipadukan; skid RO industri seperti brackish-water RO menangani beban TDS tinggi, sementara polishing selektif oleh nano-filtration membantu menahan kekerasan dan organik berat. Elemen membran komersial seperti Toray UF/RO umum dipilih dalam layanan fab. Namun, membran cepat fouling pada slurry CMP, sehingga perlu backwash, cleaning kimia, dan pretreatment depth filter berjenjang.
Riset terbaru juga mengeksplorasi membrane distillation (MD) dan membran nanokomposit baru pada aliran CMP, karena penolakan ion tinggi dan toleransi organik. Pada studi limbah tungsten CMP, UF polimerik memberi fluks tinggi tetapi butuh pembersihan reguler; nanofiltrasi keramik/grafena mencapai >95% penolakan silika/garam pada fluks wajar (puluhan L/m²-jam) (researchgate.net). Secara umum, studi-studi ini menunjukkan membran dapat memulihkan >99% partikulat/TSS dan >90% padatan terlarut pada wastewater CMP; sisa kontaminan ditangani di tahap hilir.
Perlakuan kimia dan elektro untuk logam dan organik
Setelah padatan keluar, tantangan tersisa adalah kimia terlarut (logam berat, oksidator bekas, pengompleks organik). Strategi umum: presipitasi/ion exchange, elektrokimia, dan polishing selektif. Penyesuaian pH atau penambahan presipitan bisa mengendapkan Cu²⁺ (sulfida/hidroksida), lalu difiltrasi; tetapi aditif seperti H₂O₂ dan chelator organik dalam CMP sering mengganggu presipitasi atau ion-exchange. Satu studi kasus mencatat metode “tradisional” ini kesulitan karena aditif tersebut (electramet.com).
Di sisi elektrokimia, electrowinning/electrodeposition memulihkan logam secara selektif. Sistem elektroekstraksi tembaga oleh ElectraMet beroperasi pada slurry 5–35 ppm Cu²⁺ dan menurunkan kadar di bawah 2,07 ppm (limit izin) selama lebih dari setahun, sekaligus menghasilkan lembar tembaga kemurnian tinggi (electramet.com). Elektrokoagulasi (EC) dengan elektroda Al/Fe juga sangat efektif: pada Cu–CMP berkekeruhan tinggi dan hingga 500 mg/L COD (indikator beban organik), EC menghilangkan >99% Cu terlarut dan 96,5% kekeruhan dalam 30 menit (researchgate.net). Untuk aliran dengan NTU tinggi (satuan kekeruhan), EC juga mencatat >95% penghilangan koloid silika melalui pembentukan flok; endapan metal hidroksida/silika kemudian difiltrasi atau bahkan dipakai lagi, misalnya sebagai aditif semen (researchgate.net).
Untuk polishing ion sisa (fluorida, nitrat, logam minor), resin selektif ion exchange atau nanofiltrasi dapat digunakan. Salah satu contoh paten: retentat RO (limbah CMP terkonsentrasi) dialirkan ke kolom resin untuk logam berat, memungkinkan reuse larutan asam/basa (patents.google.com). Di tahap presipitasi dan penyesuaian kimia, dosis terukur melalui dosing pump menjaga pH/oksidator sesuai target proses.
Panduan Aman Limbah Photolithography: Simpan, Angkut, Buang B3
Rangkaian hibrida dan kualitas keluaranPraktiknya, train hibrida lazim: pengendapan/centrifuge → UF → RO → EC/IX sesuai kebutuhan, diselingi penyesuaian kimia. Keluaran akhirnya dua arus: slurry yang diregenerasi (abrasive dalam air deionisasi dengan bahan tambahan yang dilengkapi kembali) dan air olahan yang siap dipakai ulang di fab. Permeat RO juga dapat menjadi umpan ke sistem ultrapure seperti EDI ketika diperlukan mutu lebih tinggi.
Regenerasi slurry dan strategi reuse
Setelah filtrasi dan treatment, slurry “direkonstitusi” untuk polishing: oksidator, pengatur pH, inhibitor ditambah kembali, dan abrasive segar mungkin ditambahkan agar konsentrasi partikel sesuai spesifikasi. Pada studi reuse slurry berbasis silika untuk tungsten CMP, slurry hasil UF yang disesuaikan (menaikkan oksidator, inhibitor, atau mengencerkan dengan slurry segar) menunjukkan performa dalam rentang laju penghilangan normal (researchgate.net). Pada 10–20 siklus reuse, penyesuaian cermat mempertahankan laju penghilangan dan defectivity yang sebanding dengan slurry baru.
Pendekatan lain adalah blending slurry segar dan hasil pemulihan. Satu contoh paten melaporkan campuran 35% slurry segar dengan 65% konsentrat daur ulang untuk menjaga pH/kimia stabil, memperpanjang umur slurry berlipat. Secara umum, pelaku melaporkan slurry CMP yang didaur ulang dengan baik bisa menggantikan 30–50% kebutuhan slurry segar, bergantung toleransi proses.
Analisis biaya–manfaat dan payback implementasi
Program daur ulang slurry menuntut CAPEX/OPEX yang ditimbang terhadap penghematan kimia dan biaya limbah. Harga slurry kelas tinggi mahal; dengan skala pasar di atas, satu fab 300 mm bisa memakai ribuan liter per bulan. Pada kisaran US$30–US$100 per liter untuk slurry canggih, biaya consumables bisa jutaan dolar per tahun. Memulihkan 30–50% slurry bekas berpotensi memangkas biaya tersebut kira-kira separuh.
Beban pembuangan juga signifikan: banyak aliran CMP tergolong berbahaya, memicu biaya hauling dan treatment pihak ketiga sekitar ~US$100–US$200/ton atau lebih untuk limbah spesial. Daur ulang on‑site memangkas atau menghilangkan biaya itu. Dalam contoh nyata, sistem penghilangan Cu di lokasi bukan hanya memulihkan tembaga, tetapi juga menghindari porsi besar biaya pembuangan (electramet.com).
Di sisi peralatan/operasi: modul UF/RO (biaya puluhan hingga ratusan ribu USD), vessel filter, pompa, plus bahan kimia/elektroda menjadi komponen utama. OPEX meliputi listrik, penggantian membran/koagulan berkala, serta downtime saat perawatan. Analisis privat menunjukkan payback menarik pada fab besar: tanki ultrafiltrasi (di bawah ~US$100 ribu per unit) bisa berjalan 24/7 memroses beberapa m³/jam; lewat pemulihan air/kimia, payback tercapai dalam beberapa tahun dari penghematan kimia saja. Penghematan air (menurunkan permintaan UPW) turut menekan tagihan utilitas. Ada contoh nyata pembangunan fasilitas daur ulang air CMP berskala jutaan galon per tahun untuk memanfaatkan ulang hampir seluruh air bilasan CMP—justifikasi utamanya penurunan pembelian/pembuangan air dan target keberlanjutan. Sebagai konteks, pabrik baru TSMC di Phoenix menargetkan mendaur ulang hampir 100% air fab (axios.com), meski fokusnya air umum, bukan hanya CMP.
AOP dan Karbon Aktif untuk Limbah Photolithography Semikonduktor
Ringkasan efisiensi teknologi dan arah industriMeski menambah kompleksitas proses, semakin banyak fab beralih ke daur ulang slurry. Manfaat terukur: pembelian kimia terpangkas, timbulan limbah berbahaya menurun, dan kepatuhan pada regulasi yang kian ketat. Secara sirkular, reuse slurry selaras dengan tren keberlanjutan industri. Hasil nyata bervariasi per kasus—efisiensi daur ulang yang dilaporkan melampaui 90% untuk partikulat dan >90% untuk logam, namun reuse penuh biasanya tetap disertai suplementasi kimia segar. Dengan filtrasi/membran yang sistematis ditambah dekontaminasi terarah, aliran slurry CMP dapat diregenerasi cukup efektif untuk layak diinvestasikan, terutama di fab berkapasitas besar dengan biaya slurry tinggi dan limit efluen ketat (liebertpub.com; researchgate.net).
