半导体超纯水是怎么“炼”成的

一、半导体超纯水的核心指标与标准

二、制备流程：从原水到超纯水的多级处理工艺

1. 预处理阶段：去除大颗粒杂质与有机物

· 多介质过滤：

· 采用石英砂、活性炭、无烟煤等多层滤料，去除原水中的悬浮物、铁锈、胶体（粒径＞1μm）及部分有机物（活性炭吸附）。

· 作用：保护后续膜组件，防止大颗粒堵塞。

· 超滤（UF）：

· 利用 0.01μm 孔径的中空纤维膜，去除细菌、病毒、胶体及大分子有机物，产水浊度＜0.1 NTU。

· 特点：相比传统砂滤，超滤效率更高，且能有效控制微生物污染。

· 软化 / 脱碳（可选）：

· 通过阳离子交换树脂去除钙镁离子（降低硬度，防止 RO 膜结垢），或通过脱碳塔吹脱 CO₂，避免后续离子交换树脂负荷过高。

2. 核心纯化阶段：深度去除离子与有机物

· 反渗透（RO）：

· 采用高压（10-15 bar）驱动的芳香族聚酰胺复合膜，孔径 0.0001μm，脱盐率＞99%，去除水中 90% 以上的离子、有机物及细菌。

· 作用：将原水电阻率从＜100 μS/cm 提升至 1-10 MΩ・cm，大幅降低后续离子交换负荷。

· 电去离子（EDI）：

· 结合离子交换树脂与电渗析技术，通过电场作用持续再生树脂，无需化学药剂即可将电阻率提升至 15-18 MΩ・cm，同时去除残留离子（如 SiO₂）。

· 优势：相比传统混床离子交换，EDI 无需再生废液，环保且纯度更稳定。

· 紫外氧化（UV）：

· 采用 185nm+254nm 双波长 UV 灯，分解水中的有机物（如 TOC 降至＜10 ppb），并灭活微生物（破坏 DNA 结构）。

· 原理：185nm UV 直接光解有机物，254nm UV 辅助杀菌，同时产生・OH 自由基强化氧化效果。

3. 终端处理阶段：极致净化与水质维持

· 抛光混床（Polishing Resin）：

· 填充高纯度阴 / 阳离子交换树脂（粒径＜50μm），进一步去除 EDI 出水中残留的微量离子（如 Li⁺、B³⁺），使电阻率达到 18.2 MΩ・cm。

· 注意：树脂需定期更换（寿命通常 3-6 个月），避免微生物滋生。

· 超滤（终端 UF）：

· 采用 0.01μm 或更小孔径的聚醚砜（PES）膜，过滤掉树脂碎屑、微生物残骸等颗粒，确保颗粒度＜0.1μm。

· 微滤（MF）或纳米滤（NF）（可选）：

· 对于更高精度需求（如 7nm 以下制程），可增加 0.05μm 膜过滤，进一步拦截胶体或聚合有机物。

4. 循环系统：防止二次污染

· 全不锈钢 / PVDF 管道：

· 采用电解抛光不锈钢（EP 级）或聚偏氟乙烯（PVDF）材质，内壁粗糙度＜0.5μm，避免金属离子析出或微生物附着。

· 恒温循环：

· 水温控制在 20-25℃，减少离子活性变化，并通过持续循环（流速＞1m/s）防止死水段微生物繁殖。

· 在线监测：

· 实时监测电阻率、TOC、颗粒度、微生物等指标，数据异常时自动触发再生或冲洗流程。

三、关键技术难点与解决方案

1. 硅元素（SiO₂）的去除

· 挑战：水中硅酸（H₂SiO₃）以分子态存在，传统 RO 难以去除，残留的 SiO₂会在晶圆表面形成缺陷。

· 解决方案：

· 通过 EDI 中的强碱性树脂（OH⁻型）吸附硅酸根离子（SiO₃²⁻），或在终端增加专用硅吸附树脂。

2. 微生物控制

· 风险：超纯水中微生物即使极少（如 1 CFU/mL），其代谢产物也可能污染晶圆。

· 控制手段：

· 定期用臭氧（O₃）或过氧化氢（H₂O₂）冲洗管道，破坏生物膜；

· 管道设计避免死角，采用热熔焊接减少接缝；

· 在线监测 ATP（三磷酸腺苷），快速检测微生物活性。

3. 有机物深度去除

· 技术升级：

· 采用 “UV + 臭氧 + 活性炭” 组合工艺，其中臭氧 - UV 协同氧化可将 TOC 降至＜5 ppb；

· 使用亲水性活性炭（如椰壳活性炭），增强对小分子有机物的吸附能力。

四、行业标准与应用场景

· SEMI 标准：

· 半导体超纯水分为不同等级（如 SEMI E1.1），对应不同制程需求：

· 18.2 MΩ・cm@25℃：适用于 14nm 以下先进制程；

· 15-18 MΩ・cm：适用于 28nm-1μm 制程。

· 应用场景：

· 晶圆清洗（占超纯水用量 70%）：去除表面污染物；

· 蚀刻液 / 电镀液配制：避免杂质影响薄膜成分；

· 光刻胶清洗：防止图案失真；

· CMP（化学机械抛光）：作为抛光液载体，避免颗粒残留。

五、成本与效率优化

· 废水回收：
RO 浓水（约占原水 70%）可通过二级 RO 或蒸发冷凝回收，用于预处理阶段，降低水资源消耗。

· 智能化管理：
采用 PLC 控制系统，根据水质数据自动调整各阶段运行参数（如 RO 压力、UV 功率），减少人工干预与能耗。

总结

半导体超纯水的制备是 “物理过滤 + 化学纯化 + 微生物控制” 的多维度协同过程，其核心在于通过多级精密处理，将水中离子、有机物、颗粒、微生物等杂质控制在 “趋近于零” 的水平。随着半导体制程向 3nm 及以下演进，超纯水的纯度要求还将进一步提升，推动制备技术向更高效、更低成本的方向发展。