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      半導體工業超純水技術指標及其制備

      發布日期:2023-11-02 16:32:13    文章編輯:反滲透純水設備|純水設備|超純水設備|去離子設備-東莞市杰邦水處理有限公司    閱讀量: 139

      一、半導體行業超純水水質標準

      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。其部分參考標準如下:

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

      半導體超純水設備


      中國國家電子級超純水規格GB/T11446-1997

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      超純水水質標準簡易版理解

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      二、為什么半導體行業對水質要求這么高?

      半導體行業用水水質中,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??傊?,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。

      半導體超純水設備


      三、半導體行業超純水應用場景

      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。

      半導體工業芯片制造的全流程,主要流程如下
      半導體超純水設備

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

      半導體超純水設備


      四、半導體行業超純水工藝設計

      鑒于上述種種,芯片行業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+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。

      行業的不同,對于溶解性氣體的要求也不一樣,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。

      芯片行業超純水工藝參考設計圖如下:

      半導體超純水設備

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