一、半導體行業(yè)超純水水質標準

半導體工業(yè)需要大量的超純水，隨著半導體工業(yè)的發(fā)展，對超純水水質的要求日趨嚴格。當前半導體工業(yè)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(yè)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。其部分參考標準如下：

ASTM-D5127-2007《美國電子學和半導體工業(yè)用超純水標準》

中國國家電子級超純水規(guī)格GB/T11446-1997

超純水水質標準簡易版理解

二、為什么半導體行業(yè)對水質要求這么高？

半導體行業(yè)用水水質中，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，可能導致半導體元器件生產過程的產品質量和合格率的下降，具體的影響如下：

TOC（總有機碳）：影響光刻精度，影響芯片質量。

DO（溶解氧）：滋生細菌，形成氧化層，影響芯片質量。

Boron（硼元素）：影響P-N結，影響芯片質量。

Silica（硅元素）：造成晶圓水斑，影響芯片質量。

金屬離子：影響晶圓原子密度，影響芯片質量。

微粒：影響光刻精度，導電微粒會直接導致短路。

詳細見下圖。總之，水不夠純凈，就做不成合格的高端芯片。芯片越高端，所需純水的純度就越高。

三、半導體行業(yè)超純水應用場景

在半導體生產中，超純水可以應用于晶圓沖洗，化學品稀釋，化學機械研磨，潔凈室環(huán)境的加濕源等場合，超純水的品質與半導體的良品率直接相關，隨著半導體元器件尺寸縮小與精細度上升，超純水水質技術要求也在不斷上升。

半導體工業(yè)芯片制造的全流程，主要流程如下

超純水在各流程中的基本作用如下：

1. 晶圓制備：超純水用于清潔、去除顆粒和化學雜質，確保晶圓表面的潔凈度，從而降低制造缺陷。

2. 光刻工藝：在半導體光刻工藝中，超純水用于洗凈掩膜板、鏡片和晶圓，以確保圖案的精確重復和光刻質量。

3. 刻蝕和腐蝕：超純水在半導體刻蝕和腐蝕過程中用于冷卻和清洗，以維護工藝的精確性和一致性。

4. 化學機械拋光（CMP）： CMP過程中使用超純水來冷卻、清洗和運輸晶圓，以確保CMP過程中表面的平坦性和質量。

5.電子化學沉積（ECD）：超純水用于清洗金屬薄膜、電解質和其他材料，以確保電子化學沉積過程的準確性和一致性。

6.設備冷卻和冷卻塔：超純水還用于半導體設備的冷卻，以保持設備在適宜的工作溫度下運行。

7.研究和開發(fā)：半導體研究和開發(fā)實驗通常需要高純度水來確保實驗的準確性和可重復性。

四、半導體行業(yè)超純水工藝設計

鑒于上述種種，芯片行業(yè)的超純水制備需要經過以下凈化工藝，分別為去顆粒物工藝（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(yè)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(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MF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(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。

半導體行業(yè)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(guī)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+拋光樹脂等，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(guī)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（3000ppb），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（μg/L）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（這個是重點）

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。

脫氣膜內裝有大量的中空纖維，纖維的壁上有微小的孔，水分子不能通過這種小孔，而氣體分子卻能夠穿過。工作時，水流在一定的壓力下從中空纖維的里面通過，而中空纖維的外面在真空泵的作用下將氣體不斷的抽走，并形成一定的負壓，這樣水中的氣體就不斷從水中經中空纖維向外溢出，從而達到去除水中氣體的目的，脫氣膜中裝有大量的中空纖維可以擴大氣液界面的面積，從而使脫氣速度加快。國內已有最新研發(fā)的具有高效脫除率的脫氣膜產品，膜脫氣裝置的，,出水二氧化碳濃度可小于1ppm，低濃度氨水的可小于2ppb也能到達5ppm?？蓮V泛用于電子、鍋爐補給水系統和氨氮廢水的處理。

行業(yè)的不同，對于溶解性氣體的要求也不一樣，對于半導體行業(yè)的溶解性氣體，我國國標對于電子水的規(guī)定中沒有這些指標，但是近年的半導體行業(yè)，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(yè)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(wěn)定的高分子合成材料。

芯片行業(yè)超純水工藝參考設計圖如下：