半導(dǎo)體工業(yè)超純水的技術(shù)指標(biāo)及其制備

　　半導(dǎo)體工業(yè)需要大量的超純水，隨著半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展，對超純水水質(zhì)的要求日趨嚴(yán)格。當(dāng)前半導(dǎo)體工業(yè)的超純水的水質(zhì)指標(biāo)要求，甚至嚴(yán)格于我國國標(biāo)電子水的最高標(biāo)準(zhǔn)要求，如微粒子，TOC，電阻率，溶解氧等。因此，相比于其他行業(yè)的超純水，需要更加嚴(yán)格的深度處理技術(shù)，如深度處理顆粒物，有機(jī)物，深度脫鹽，深度脫氣技術(shù)等等。

　　半導(dǎo)體工業(yè)的電子芯片是我國的大宗進(jìn)口商品，我國的芯片行業(yè)發(fā)展比較緩慢，近期國家的政策也傾向于大力發(fā)展自主性的半導(dǎo)體芯片。在半導(dǎo)體行業(yè)，超純水不同于其他行業(yè)的超純水的要求，有極其嚴(yán)苛的水質(zhì)要求。目前半導(dǎo)體行業(yè)的超純水技術(shù)也是主要由外國企業(yè)所掌握，所以半導(dǎo)體行業(yè)超純水制造技術(shù)是非常值得研究的項(xiàng)目。

　　半導(dǎo)體工業(yè)超純水的技術(shù)指標(biāo)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(zhì)，更沒有細(xì)菌、病毒、含氯二噁英等有機(jī)物，電阻率達(dá)到18 MΩ*cm(25 ℃)的水。超純水廣泛應(yīng)用于工業(yè)制造業(yè)，食品醫(yī)療行業(yè)，以及實(shí)驗(yàn)室用水中。根據(jù)不同行業(yè)的需求，具體的水質(zhì)指標(biāo)要求也不相同，其中半導(dǎo)體工業(yè)的要求最為嚴(yán)格，并且有電子級水的國家標(biāo)準(zhǔn)。

　　半導(dǎo)體工業(yè)制造中，很多電子元器件生產(chǎn)過程中需要大量超純水，且對水質(zhì)要求特別嚴(yán)苛。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，元器件的尺寸的縮小和精細(xì)程度的提高，對超純水的水質(zhì)水量的要求日趨嚴(yán)格。

　　ITRS(國際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖)中規(guī)定的侵入式光刻技術(shù)中需要的浸沒式超純水，水質(zhì)要求超過了國標(biāo)中規(guī)定的電子水最高要求，部分指標(biāo)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(biāo)，略微差異，可能導(dǎo)致元器件生產(chǎn)過程的產(chǎn)品質(zhì)量和合格率的下降，所以超純水的制備技術(shù)在半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展中是非常重要的一環(huán)。近年半導(dǎo)體工業(yè)，超純水的部分指標(biāo)可能更加嚴(yán)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(yè)為主，如日本的栗田工業(yè)和美國的英特爾公司等等。

　　半導(dǎo)體工業(yè)的超純水制備技術(shù)的工藝狀況

　　通常超純水制備工藝以自來水為原水，根據(jù)表1的水質(zhì)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(jī)物(TOC和殺菌)和脫氣工藝(深度脫氧等)。其中各個(gè)工藝的組合，根據(jù)不同的原水水質(zhì)及處理水水質(zhì)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(tǒng)的純水制造工藝中，顆粒物的處理一般是多介質(zhì)過濾器(MMF)+活性炭過濾器(ACF)，在半導(dǎo)體行業(yè)超純水的制造中，對顆粒物尺寸的要求更加嚴(yán)格，甚至嚴(yán)格到50nm微粒子的程度，且目前很多半導(dǎo)體公司要求微粒子(小于50nm)的數(shù)量需小于100個(gè)/L。所以僅僅MMF+ACF，很難達(dá)到要求。這個(gè)需要用精密膜過濾裝置進(jìn)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(dǎo)體工業(yè)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(wěn)定高效運(yùn)行，需要RO入口水SDI<5;終端過濾，一般是設(shè)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(huì)有少量散落的微小顆粒，對微粒子進(jìn)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(guī)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(dǎo)體行業(yè)超純水對于電阻率的要求非常嚴(yán)格，電阻率大于18.2(MΩ·cm)，理論上幾乎不含離子，常規(guī)的單一工藝很難達(dá)到這一要求。一般都是幾種工藝聯(lián)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(jù)不同的情況調(diào)整工藝組合情況，一般在顆粒物初級去除后，就需要進(jìn)行脫鹽工藝。

　　去有機(jī)物工藝

　　由于超純水的原水通常是自來水，我國的國標(biāo)規(guī)定的自來水沒有TOC的標(biāo)準(zhǔn)，代表有機(jī)物含量的指標(biāo)是CODmn，限值是3ppm，常規(guī)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(dá)到水質(zhì)要求。ACF、UF、RO和EDI 等都有處理TOC的能力。通常經(jīng)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(dá)到半導(dǎo)體工廠的超純水水質(zhì)要求。

　　脫氣工藝

　　常規(guī)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(xué)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(xué)特征，通過加熱來去除溶解性氣體;化學(xué)脫氣一般是水中加入還原性的化學(xué)物質(zhì)，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(jìn)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(huì)擴(kuò)散到氣相中，從而達(dá)到去除溶解性氣體的作用。

　　行業(yè)的不同，對于溶解性氣體的要求也不一樣，比如工業(yè)鍋爐的水質(zhì)，就對一定大氣壓下，溶解氧的濃度有規(guī)定。對于半導(dǎo)體行業(yè)的溶解性氣體，我國國標(biāo)對于電子水的規(guī)定中沒有這些指標(biāo)，但是近年的半導(dǎo)體行業(yè)，對于溶解氧(DO)的要求甚至嚴(yán)格到小于1ppb，所以去除水中的溶解氧是技術(shù)難點(diǎn)，在去除的同時(shí)，還要保證隔絕空氣，對于容器和管道的氣密性要求非常嚴(yán)格。通常半導(dǎo)體工業(yè)超純水深度脫氣是通過多級脫氣膜聯(lián)合運(yùn)行，才能達(dá)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(zhì)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(yán)格，所以超純水制造工藝中，除了各種處理工藝，對于設(shè)備的材質(zhì)要求也很高，不合適的材質(zhì)可能導(dǎo)致雜質(zhì)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(zhì)的特別穩(wěn)定的高分子合成材料。設(shè)備自動(dòng)化程度，設(shè)備運(yùn)行的過程控制與管理等，也是半導(dǎo)體工業(yè)超純水制造和使用的時(shí)候，需要解決和重視的問題。