半导体工业超纯水的技术指标及其制备

　　半导体工业需要大量的超纯水，随着半导体工业的发展，对超纯水水质的要求日趋严格。当前半导体工业的超纯水的水质指标要求，甚至严格于我国国标电子水的最高标准要求，如微粒子，TOC，电阻率，溶解氧等。因此，相比于其他行业的超纯水，需要更加严格的深度处理技术，如深度处理颗粒物，有机物，深度脱盐，深度脱气技术等等。

　　半导体工业的电子芯片是我国的大宗进口商品，我国的芯片行业发展比较缓慢，近期国家的政策也倾向于大力发展自主性的半导体芯片。在半导体行业，超纯水不同于其他行业的超纯水的要求，有极其严苛的水质要求。目前半导体行业的超纯水技术也是主要由外国企业所掌握，所以半导体行业超纯水制造技术是非常值得研究的项目。

 

　　半导体工业超纯水的技术指标要求

　　超纯水又称UP水，水中除了水分子外，几乎没有什么杂质，更没有细菌、病毒、含氯二噁英等有机物，电阻率达到18 MΩ*cm(25 ℃)的水。超纯水广泛应用于工业制造业，食品医疗行业，以及实验室用水中。根据不同行业的需求，具体的水质指标要求也不相同，其中半导体工业的要求最为严格，并且有电子级水的国家标准。

　　半导体工业制造中，很多电子元器件生产过程中需要大量超纯水，且对水质要求特别严苛。随着半导体技术的发展，元器件的尺寸的缩小和精细程度的提高，对超纯水的水质水量的要求日趋严格。

　　ITRS(国际半导体技术蓝图)中规定的侵入式光刻技术中需要的浸没式超纯水，水质要求超过了国标中规定的电子水最高要求，部分指标对比如下表1所示。

 

　　超纯水中，电阻率，微粒子，气泡(溶解氧，溶解氮)和TOC是非常重要的指标，略微差异，可能导致元器件生产过程的产品质量和合格率的下降，所以超纯水的制备技术在半导体工业的发展中是非常重要的一环。近年半导体工业，超纯水的部分指标可能更加严格于表1中ITRS浸没式超纯水的要求。目前掌握最尖端的超纯水制造工艺主要还是国外的企业为主，如日本的栗田工业和美国的英特尔公司等等。

 

　　半导体工业的超纯水制备技术的工艺状况

　　通常超纯水制备工艺以自来水为原水，根据表1的水质要求，可知超纯水制备主要的净化工艺为：去颗粒物工艺(包括微粒子和T-Si等)，脱盐工艺，去有机物(TOC和杀菌)和脱气工艺(深度脱氧等)。其中各个工艺的组合，根据不同的原水水质及处理水水质要求等而有所差异。

 

　　颗粒物去除工艺

　　超纯水中制造中颗粒物的去除方法一般是过滤去除或者吸附去除，不同尺寸的颗粒物所需的工艺也有差异。传统的纯水制造工艺中，颗粒物的处理一般是多介质过滤器(MMF)+活性炭过滤器(ACF)，在半导体行业超纯水的制造中，对颗粒物尺寸的要求更加严格，甚至严格到50nm微粒子的程度，且目前很多半导体公司要求微粒子(小于50nm)的数量需小于100个/L。所以仅仅MMF+ACF，很难达到要求。这个需要用精密膜过滤装置进一步处理微小尺寸的颗粒物，如微滤(MF)，超滤(UF)，纳滤(NF)和反渗透(RO)等等。

　　MF的孔径在0.02~10μm，UF的过滤孔径在0.001~0.02μm，反渗透的孔径为0.0001~0.001μm，理论上组合膜过滤装置，能满足对颗粒物去除的要求。

　　半导体工业超纯水制造工艺中，一般去除颗粒物，分为初始过滤，如MMF+ACF等;中端过滤装置，如RO前端的安全过滤器等：为了保证RO稳定高效运行，需要RO入口水SDI<5;终端过滤，一般是设置在最终端，通常是UF膜过滤装置。所有工序完成后，可能前段过程中会有少量散落的微小颗粒，对微粒子进行最后的深度处置。

 

　　脱盐工艺

　　脱盐工艺即去除水中离子的工艺，电阻率是水中离子含量的表征。常规的脱盐工艺为RO浓缩工艺，离子交换树脂的吸附工艺和电去离子(EDI)工艺等等。

　　半导体行业超纯水对于电阻率的要求非常严格，电阻率大于18.2(MΩ·cm)，理论上几乎不含离子，常规的单一工艺很难达到这一要求。一般都是几种工艺联合使用，如树脂+RO+EDI等，各地自来水的离子含量也各有差别，根据不同的情况调整工艺组合情况，一般在颗粒物初级去除后，就需要进行脱盐工艺。

 

　　去有机物工艺

　　由于超纯水的原水通常是自来水，我国的国标规定的自来水没有TOC的标准，代表有机物含量的指标是CODmn，限值是3ppm，常规的自来水中的TOC大概在1~3ppm左右。表中对TOC的要求是ppb级的，所以对于TOC的处理也是需要多级工艺处理才可能达到水质要求。ACF、UF、RO和EDI 等都有处理TOC的能力。通常经过这些前端处理，TOC大概降至10~30ppb左右，再通过TOC-UV灯装置，能将TOC降至小于1ppb，最终达到半导体工厂的超纯水水质要求。

 

　　脱气工艺

　　常规的超纯水制造中，脱气的工艺一般是物理脱气，热力除气，化学脱气，膜脱气。物理脱气如常用的脱气塔，用物理搅拌的方法脱除水中的溶解性二氧化碳;热力除气，利用温度越高，水中气体溶解性越低的物理学特征，通过加热来去除溶解性气体;化学脱气一般是水中加入还原性的化学物质，如亚硫酸钠，氢气等等，用于还原溶解氧(DO)，去除水中溶解氧;脱气膜是比较先进的工艺，脱气效果也比较好，通过憎水纤维膜将液相和气相分开，在气相抽真空，使得气体被去除，液相中的气体就会扩散到气相中，从而达到去除溶解性气体的作用。

　　行业的不同，对于溶解性气体的要求也不一样，比如工业锅炉的水质，就对一定大气压下，溶解氧的浓度有规定。对于半导体行业的溶解性气体，我国国标对于电子水的规定中没有这些指标，但是近年的半导体行业，对于溶解氧(DO)的要求甚至严格到小于1ppb，所以去除水中的溶解氧是技术难点，在去除的同时，还要保证隔绝空气，对于容器和管道的气密性要求非常严格。通常半导体工业超纯水深度脱气是通过多级脱气膜联合运行，才能达到这一要求，且对脱气膜的性能要求也特别高。

　　对于超纯水的出水水质控制，除了上述的要求，还有出水温度，出水压力等要求。由于最终要求的超纯水要求特别严格，所以超纯水制造工艺中，除了各种处理工艺，对于设备的材质要求也很高，不合适的材质可能导致杂质溶出，造成二次污染，目前超纯水的过流材料一般是PVDF，PTFE，PFA等材质的特别稳定的高分子合成材料。设备自动化程度，设备运行的过程控制与管理等，也是半导体工业超纯水制造和使用的时候，需要解决和重视的问题。