超纯水应用领域「超纯水不导电」

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超纯水( UPW )、高纯水或高纯水( HPW ) 是经过净化达到非常严格的规格的水。超纯水是制造业中常用的一个术语，强调水被处理到所有污染物类型的最高纯度，包括：有机和无机化合物；溶解和颗粒物质；易失性和非易失性；反应性和惰性；亲水和疏水；和溶解的气体。

许多组织和团体开发和发布与 UPW 生产相关的标准。对于微电子和电力，它们包括国际半导体设备和材料协会（SEMI）（微电子和光伏）、美国国际测试与材料协会（ASTM International）（半导体、电力）、电力研究所（EPRI）（电力）、美国机械工程师协会(ASME) (power) 和国际水和蒸汽特性协会(IAPWS) (power)。

ASTM D5127《用于电子和半导体行业的超纯水标准指南》 和 SEMI F63《用于半导体加工的超纯水指南》记录了最广泛使用的超纯水质量要求。

在半导体行业的应用

UPW 广泛用于需要最高纯度的半导体行业。半导体行业使用的电子级或分子级水量相当于一个小城市的用水量；一家工厂可以以 2 MGD 或约 5500 /天的速度使用超纯水 (UPW) 。

UPW 的使用各不相同；它可用于在应用化学品后冲洗晶片、稀释化学品本身、用于浸没式光刻的光学系统中，或在某些关键应用中作为冷却液的补充。UPW 有时甚至被用作洁净室环境的加湿源。

UPW 的主要和最关键的应用是在FEOL阶段的湿法蚀刻步骤中和之后的晶片清洁。 在清洁和蚀刻阶段，必须从水中去除可能导致产品污染或影响工艺效率（例如蚀刻速率）的杂质。在化学机械抛光过程中，除了试剂和磨粒之外，还使用水。截至 2002 年，每百万水分子中有 1-2 份污染分子被认为是“超纯水”（例如半导体级）。

它以类似的方式用于其他类型的电子制造，例如平板显示器、分立元件（如LED）、硬盘驱动器盘片 (HDD) 和固态驱动器NAND 闪存(SSD)、图像传感器和图像处理器/晶圆级光学器件 (WLO) 和晶体硅 光伏器件；然而，半导体行业的清洁度要求目前是最严格的。

净化过程半导体行业的 UPW 系统设计

半导体工厂中典型的超纯水净化配置

通常，城市给水（包含前面提到的所有不需要的污染物）通过一系列净化步骤进行处理，具体取决于所需的超纯水质量，包括大颗粒物的粗过滤、碳过滤、水软化、反渗透、暴露紫外 (UV) 光用于 TOC 和/或细菌静电控制，通过离子交换树脂或电去离子(EDI) 进行抛光，最后过滤或超滤。

一些系统使用直接返回、反向返回或蛇形回路将水返回到存储区域，提供连续再循环，而其他系统是从 UPW 生产点到使用点的一次性系统。前者的持续再循环作用在每次通过时都会不断地对水进行抛光。如果后者停滞不前而没有用处，则后者可能容易积聚污染。

对于现代超纯水系统，重要的是要考虑特定的场地和工艺要求，例如环境限制（例如，废水排放限制）和回收机会（例如，是否有规定的最低回收量要求）。UPW 系统由三个子系统组成：预处理、初级和抛光。大多数系统的设计相似，但根据水源的性质，预处理部分可能会有所不同。

预处理 预处理产生纯净水。采用的典型预处理是两次反渗透、脱矿质加反渗透或 HERO（高效反渗透）。此外，这些过程上游的过滤程度将取决于源水中存在的悬浮固体、浊度和有机物的水平。常见的过滤类型是多介质、自动反冲洗过滤器和超滤用于去除悬浮固体和降低浊度，活性炭用于减少有机物。活性炭还可用于在脱矿质反渗透步骤的上游去除氯。如果不使用活性炭，则使用亚硫酸氢钠对给水进行脱氯。

初级 初级处理包括用于有机还原的紫外线 (UV)、EDI 和/或用于脱矿质的混合床离子交换。混合床可以是不可再生的（在 EDI 之后）、就地再生或外部再生。本节的最后一步可能是利用膜脱气工艺或真空脱气 去除溶解氧。

抛光 抛光包括紫外线、热交换以控制超纯水供应中的恒温、不可再生离子交换、膜脱气（抛光至最终超纯水要求）和超滤以达到所需的颗粒水平。一些半导体 Fab 的某些工艺需要热 UPW。在这种情况下，抛光的 UPW 在交付制造之前被加热到 70 到 80C 的范围内。这些系统中的大多数都包括热回收，其中从制造中返回的多余热 UPW 在返回到 UPW 进料罐之前进入热回收单元，以节省热水的使用或冷却热 UPW 回流的需要。

关键的 UPW 问题粒子控制

UPW 中的颗粒是关键污染物，会导致晶圆表面出现多种形式的缺陷。由于与每个晶圆接触的大量 UPW，晶圆上的颗粒沉积很容易发生。一旦沉积，颗粒就不容易从晶片表面去除。随着稀释化学物质使用的增加，UPW 中的颗粒不仅是晶片的 UPW 冲洗的问题，而且由于在稀释湿法清洗和蚀刻过程中颗粒的引入，其中 UPW 是所用化学物质的主要成分。

粒子水平必须控制在纳米尺寸，目前的趋势是接近 10 纳米或更小，以用于 UPW 中的粒子控制。虽然过滤器用于主回路，但 UPW 系统的组件可能会对水中造成额外的颗粒污染，因此建议在使用点进行额外过滤。

过滤器本身必须由超洁净和坚固的材料制成，不会将有机物或阳离子/阴离子贡献到 UPW 中，并且必须在出厂时进行完整性测试以确保可靠性和性能。常见的材料包括尼龙、聚乙烯、聚砜和含氟聚合物。过滤器通常由聚合物组合构成，对于 UPW 使用，它是热焊接的，不使用粘合剂或其他污染添加剂。

过滤器的微孔结构对于提供颗粒控制至关重要，这种结构可以是各向同性的或不对称的。在前一种情况下，通过过滤器的孔分布是均匀的，而在后一种情况下，较细的表面可去除颗粒，较粗的结构可提供物理支撑并降低整体压差。

过滤器可以是滤芯形式，其中 UPW 流过褶皱结构，污染物直接收集在过滤器表面上。UPW 系统中常见的是由中空纤维膜组成的超滤器 (UF)。在这种配置中，UPW 流过中空纤维，将污染物吹扫到废物流中，称为滞留物流。滞留物流仅占总流量的一小部分，并被送至废物处理区。产物水或渗透流是通过中空纤维表层并通过中空纤维中心流出的超纯水。UF 是 UPW 的高效过滤产品，将颗粒扫入滞留物流中可产生极长的使用寿命，只需偶尔进行清洁。[39]

UPW 过滤的使用点应用 (POU) 包括湿法蚀刻和清洁、IPA 蒸汽或液体干燥之前的冲洗，以及显影之后的光刻分配 UPW 冲洗。这些应用对 POU UPW 过滤提出了具体挑战。

对于湿法蚀刻和清洁，大多数工具是单晶片工艺，需要根据工具需求流过过滤器。产生的间歇性流动，其范围从在启动 UPW 流通过喷嘴时全流通过过滤器，然后返回到滴流。通常保持涓流以防止工具出现死角。过滤器必须坚固以承受压力和低循环，并且必须在过滤器的整个使用寿命期间继续保留捕获的颗粒。这需要适当的褶皱设计和几何形状，以及旨在优化颗粒捕获和保留的介质。某些工具可能使用带有可更换过滤器的固定过滤器外壳，而其他工具可能使用用于 POU UPW 的一次性过滤器胶囊。

对于光刻应用，使用小型过滤器胶囊。与湿法蚀刻和清洁 POU UPW 应用的挑战类似，对于光刻 UPW 冲洗，通过过滤器的流量是间歇性的，尽管在低流量和压力下，因此物理稳健性并不那么关键。用于光刻的另一个 POU UPW 应用是用于 193 nm 浸没式光刻图案化的透镜/晶圆界面处的浸没水。UPW 在透镜和晶圆之间形成一个水坑，提高了 NA，并且 UPW 必须非常纯净。POU 过滤用于步进扫描仪之前的 UPW。

对于 POU UPW 应用，亚 15 nm 滤光片目前用于高级 2x 和 1x 节点。过滤器通常由尼龙、高密度聚乙烯 (HDPE)、聚芳砜（或聚砜）或 聚四氟乙烯(PTFE) 膜制成，硬件通常由 HDPE 或 PFA 组成。

有机物使用点 (POU) 处理

使用点处理通常应用于关键工具应用，例如浸没式光刻和掩模制备，以保持一致的超纯水质量。位于中央公用事业大楼的 UPW 系统为 Fab 提供优质水，但可能无法为这些工艺提供足够的水净化一致性。

如果可能存在尿素、THM、异丙醇(IPA) 或其他难以去除的（低分子量中性化合物）TOC 物质，则需要通过高级氧化工艺(AOP) 使用系统进行额外处理。当需要达到低于 1 ppb 的严格 TOC 规格时，这一点尤其重要。这些难以控制的有机物已被证明会影响产量和设备性能，尤其是在最苛刻的工艺步骤中。将 POU 有机物控制到 0.5 ppb TOC 水平的成功示例之一是 AOP 结合了过硫酸铵和 UV 氧化。

可用的专有 POU 高级氧化工艺可以持续将 TOC 降低到十亿分之 0.5 (ppb)，此外还可以保持一致的温度、氧气和颗粒物超过 SEMI F063 的要求。这很重要，因为最轻微的变化都会直接影响制造过程，从而显着影响产品产量。

半导体行业中的超纯水回收

半导体工厂中典型水系统的概要

半导体行业使用大量超纯水冲洗硅片表面的污染物后来变成了计算机芯片。根据定义，超纯水的污染极低，但一旦与晶圆表面接触，它就会从表面携带残留的化学物质或颗粒，然后最终进入制造设施的工业废物处理系统。漂洗水的污染程度可能会因当时正在漂洗的特定工艺步骤而有很大差异。与可能携带相对少量污染物的最后漂洗相比，“第一次漂洗”步骤可能携带大量残留污染物和颗粒。

如上所述，超纯水通常不在半导体应用中回收，而是在其他工艺中回收。美国有一家公司 Exergy Systems, Inc. of Irvine, California 提供专利的去离子水回收工艺。该产品已在多个半导体工艺中成功测试。

ITRS 使用以下定义：

UPW Recycle – 处理后在同一应用中的水回用水再利用——二次应用水回收——从废水中提取水

水回收和循环利用

一些半导体制造厂一直在将再生水用于非工艺应用，例如化学吸气器，其中排放的水被送到工业废物中。水回收也是一个典型的应用，其中来自制造设施的用过的冲洗水可用于冷却塔供应、废气洗涤器供应或使用点减排系统。UPW 回收并不那么典型，它涉及收集用过的制造冲洗水，对其进行处理并在晶圆冲洗过程中重新使用。根据用过的漂洗水的质量和再生水的应用，这些情况中的任何一种都可能需要进行一些额外的水处理。这些在全球许多半导体设施中是相当普遍的做法，但是如果不考虑在制造过程中再利用，那么可以回收和再循环多少水是有限的。

超纯水回收

几十年来，许多制造工程师一直不鼓励从半导体制造过程中回收冲洗水，因为化学残留物和颗粒的污染可能最终回到超纯水进水中并导致产品缺陷。现代超纯水系统在将离子污染去除到万亿分之几（ppt）方面非常有效，而超纯水系统的有机污染仍然在十亿分之几（ppb）。在任何情况下，回收用于 UPW 化妆品的工艺用水冲洗液一直是一个非常值得关注的问题，直到最近这还不是一种常见的做法。增加水和废水美国和亚洲部分地区的成本促使一些半导体公司研究 UPW 补水系统中制造过程冲洗水的回收利用。一些公司采用了一种方法，该方法使用复杂的大规模处理，设计用于综合废水排放的最坏情况。最近开发了新的方法来结合详细的水管理计划，以尽量减少处理系统的成本和复杂性。

水资源管理计划

最大化水回收、再循环和再利用的关键是制定一个深思熟虑的水管理计划。成功的水管理计划包括充分了解在制造过程中如何使用冲洗水，包括使用的化学品及其副产品。随着这一关键部件的开发，可以设计一个排水收集系统，将浓缩的化学物质与中度污染的冲洗水和轻度污染的冲洗水分开。一旦被分离到单独的收集系统中，曾经考虑过的化学工艺废物流可以重新利用或作为产品流出售，并且可以回收冲洗水。

水管理计划还需要大量的样本数据和分析，以确定适当的排水隔离、在线分析测量的应用、分流控制和最终处理技术。收集这些样品并进行实验室分析有助于表征各种废物流并确定它们各自再利用的潜力。在 UPW 工艺冲洗水的情况下，实验室分析数据可用于描述典型和非典型污染水平，然后可用于设计冲洗水处理系统。一般来说，将系统设计为处理 80-90% 时间可能发生的典型污染水平是最具成本效益的，然后结合在线传感器和控制装置，当污染水平超过处理系统的能力时，将冲洗水转移到工业废物或冷却塔等非关键用途。通过将水管理计划的所有这些方面纳入半导体制造厂，用水量可减少多达 90%。