半導體工業超純水的技術指標及其制備

　　半導體工業需要大量的超純水，隨著半導體工業的發展，對超純水水質的要求日趨嚴格。當前半導體工業的超純水的水質指標要求，甚至嚴格于我國國標電子水的最高標準要求，如微粒子，TOC，電阻率，溶解氧等。因此，相比于其他行業的超純水，需要更加嚴格的深度處理技術，如深度處理顆粒物，有機物，深度脫鹽，深度脫氣技術等等。

　　半導體工業的電子芯片是我國的大宗進口商品，我國的芯片行業發展比較緩慢，近期國家的政策也傾向于大力發展自主性的半導體芯片。在半導體行業，超純水不同于其他行業的超純水的要求，有極其嚴苛的水質要求。目前半導體行業的超純水技術也是主要由外國企業所掌握，所以半導體行業超純水制造技術是非常值得研究的項目。

 

　　半導體工業超純水的技術指標要求

　　超純水又稱UP水，水中除了水分子外，幾乎沒有什么雜質，更沒有細菌、病毒、含氯二噁英等有機物，電阻率達到18 MΩ*cm(25 ℃)的水。超純水廣泛應用于工業制造業，食品醫療行業，以及實驗室用水中。根據不同行業的需求，具體的水質指標要求也不相同，其中半導體工業的要求最為嚴格，并且有電子級水的國家標準。

　　半導體工業制造中，很多電子元器件生產過程中需要大量超純水，且對水質要求特別嚴苛。隨著半導體技術的發展，元器件的尺寸的縮小和精細程度的提高，對超純水的水質水量的要求日趨嚴格。

　　ITRS(國際半導體技術藍圖)中規定的侵入式光刻技術中需要的浸沒式超純水，水質要求超過了國標中規定的電子水最高要求，部分指標對比如下表1所示。

 

　　超純水中，電阻率，微粒子，氣泡(溶解氧，溶解氮)和TOC是非常重要的指標，略微差異，可能導致元器件生產過程的產品質量和合格率的下降，所以超純水的制備技術在半導體工業的發展中是非常重要的一環。近年半導體工業，超純水的部分指標可能更加嚴格于表1中ITRS浸沒式超純水的要求。目前掌握最尖端的超純水制造工藝主要還是國外的企業為主，如日本的栗田工業和美國的英特爾公司等等。

 

　　半導體工業的超純水制備技術的工藝狀況

　　通常超純水制備工藝以自來水為原水，根據表1的水質要求，可知超純水制備主要的凈化工藝為：去顆粒物工藝(包括微粒子和T-Si等)，脫鹽工藝，去有機物(TOC和殺菌)和脫氣工藝(深度脫氧等)。其中各個工藝的組合，根據不同的原水水質及處理水水質要求等而有所差異。

 

　　顆粒物去除工藝

　　超純水中制造中顆粒物的去除方法一般是過濾去除或者吸附去除，不同尺寸的顆粒物所需的工藝也有差異。傳統的純水制造工藝中，顆粒物的處理一般是多介質過濾器(MMF)+活性炭過濾器(ACF)，在半導體行業超純水的制造中，對顆粒物尺寸的要求更加嚴格，甚至嚴格到50nm微粒子的程度，且目前很多半導體公司要求微粒子(小于50nm)的數量需小于100個/L。所以僅僅MMF+ACF，很難達到要求。這個需要用精密膜過濾裝置進一步處理微小尺寸的顆粒物，如微濾(MF)，超濾(UF)，納濾(NF)和反滲透(RO)等等。

　　MF的孔徑在0.02~10μm，UF的過濾孔徑在0.001~0.02μm，反滲透的孔徑為0.0001~0.001μm，理論上組合膜過濾裝置，能滿足對顆粒物去除的要求。

　　半導體工業超純水制造工藝中，一般去除顆粒物，分為初始過濾，如MMF+ACF等;中端過濾裝置，如RO前端的安全過濾器等：為了保證RO穩定高效運行，需要RO入口水SDI<5;終端過濾，一般是設置在最終端，通常是UF膜過濾裝置。所有工序完成后，可能前段過程中會有少量散落的微小顆粒，對微粒子進行最后的深度處置。

 

　　脫鹽工藝

　　脫鹽工藝即去除水中離子的工藝，電阻率是水中離子含量的表征。常規的脫鹽工藝為RO濃縮工藝，離子交換樹脂的吸附工藝和電去離子(EDI)工藝等等。

　　半導體行業超純水對于電阻率的要求非常嚴格，電阻率大于18.2(MΩ·cm)，理論上幾乎不含離子，常規的單一工藝很難達到這一要求。一般都是幾種工藝聯合使用，如樹脂+RO+EDI等，各地自來水的離子含量也各有差別，根據不同的情況調整工藝組合情況，一般在顆粒物初級去除后，就需要進行脫鹽工藝。

 

　　去有機物工藝

　　由于超純水的原水通常是自來水，我國的國標規定的自來水沒有TOC的標準，代表有機物含量的指標是CODmn，限值是3ppm，常規的自來水中的TOC大概在1~3ppm左右。表中對TOC的要求是ppb級的，所以對于TOC的處理也是需要多級工藝處理才可能達到水質要求。ACF、UF、RO和EDI 等都有處理TOC的能力。通常經過這些前端處理，TOC大概降至10~30ppb左右，再通過TOC-UV燈裝置，能將TOC降至小于1ppb，最終達到半導體工廠的超純水水質要求。

 

　　脫氣工藝

　　常規的超純水制造中，脫氣的工藝一般是物理脫氣，熱力除氣，化學脫氣，膜脫氣。物理脫氣如常用的脫氣塔，用物理攪拌的方法脫除水中的溶解性二氧化碳;熱力除氣，利用溫度越高，水中氣體溶解性越低的物理學特征，通過加熱來去除溶解性氣體;化學脫氣一般是水中加入還原性的化學物質，如亞硫酸鈉，氫氣等等，用于還原溶解氧(DO)，去除水中溶解氧;脫氣膜是比較先進的工藝，脫氣效果也比較好，通過憎水纖維膜將液相和氣相分開，在氣相抽真空，使得氣體被去除，液相中的氣體就會擴散到氣相中，從而達到去除溶解性氣體的作用。

　　行業的不同，對于溶解性氣體的要求也不一樣，比如工業鍋爐的水質，就對一定大氣壓下，溶解氧的濃度有規定。對于半導體行業的溶解性氣體，我國國標對于電子水的規定中沒有這些指標，但是近年的半導體行業，對于溶解氧(DO)的要求甚至嚴格到小于1ppb，所以去除水中的溶解氧是技術難點，在去除的同時，還要保證隔絕空氣，對于容器和管道的氣密性要求非常嚴格。通常半導體工業超純水深度脫氣是通過多級脫氣膜聯合運行，才能達到這一要求，且對脫氣膜的性能要求也特別高。

　　對于超純水的出水水質控制，除了上述的要求，還有出水溫度，出水壓力等要求。由于最終要求的超純水要求特別嚴格，所以超純水制造工藝中，除了各種處理工藝，對于設備的材質要求也很高，不合適的材質可能導致雜質溶出，造成二次污染，目前超純水的過流材料一般是PVDF，PTFE，PFA等材質的特別穩定的高分子合成材料。設備自動化程度，設備運行的過程控制與管理等，也是半導體工業超純水制造和使用的時候，需要解決和重視的問題。