电子行业超纯水系统介绍 

一、简介：

      超纯水最初是美国科技界为了研制超纯材料(半导体原件材料、纳米精细陶瓷材料等)应用蒸馏、去离子化、反渗透技术或其它适当的超临界精细技术生产出来的水。而如今随着各行各业的不断发展，超纯水已在生物、医药、汽车、半导体等制造领域广泛应用。

      简而言之，这种水除了水分子（H₂O）外,几乎不含有其他任何杂质。反映在数值上，即为电阻率需要大于18.2 MΩ.cm（25℃），非常接近理论纯水的极限值18.3 MΩ.cm。

二、参考标准：

      行业中常见的超纯水标准有美国的ASTM标准，国内的GB/T标准，以及国际的SEMI标准。

      美国电子及半导体工业用纯水水质要求主要遵循ASTM D5127-13标准。

表2.1 ASTM D5127-13电子一级水质主要参数

     

      国内电子行业起步较晚，之前采用的电子极水标准GB/T 11446.1-1997（已废止版本）标准就对美标有所参考，后续基于国内行业需求进一步修订。

      目前国内电子行业超纯水水质标准主要遵循国际半导体设备与材料协会(SEMI)的F63标准和新修订的GB/T 11446.1-2013标准，二者在产水电阻率上均要求不低于18 MΩ.cm，其他水质指标如TOC、阴阳离子、硅含量有细微差别，详情见下表。

表2.2 SEMI F63和GB/T 11446.1-2013主要参数对比

三、关键步骤：

      电子级超纯水的制备通常分为预处理、主处理和精化三个阶段，各阶段采用不同的技术手段去除不同类型的杂质。

预处理阶段：

       将原水处理为可以用于膜法系统进一步处理的水，主要去除水中的各类颗粒物、悬浮物、硬度、色度、嗅味等。

       多介质过滤：利用石英砂、无烟煤等滤料截留泥沙、铁锈等大颗粒悬浮物，精度5~10μm。

       活性炭吸附：消除余氯、有机物，避免后续反渗透膜被氧化，TOC可降至<100ppb。

       软化处理：利用离子交换树脂或投加阻垢剂，去除Ca²⁺、Mg²⁺，防止反渗透结垢，可使硬度<0.1mg/L。

       精密过滤/超滤：进一步截留微小颗粒，部分高端项目采用超滤（UF）替代传统多介质过滤，使出水SDI（污染指数）更稳定。

主处理阶段：

        主要去除水中的盐分离子，此阶段产品水一般可以被称为除盐水或超纯水。

        反渗透(RO)系统：脱盐率≥98%，产水电导率<5μS/cm（近似相当于当量电导率<10μS/cm），一级RO：处理原水，脱盐率92%-98%，二级RO：处理一级RO产水，脱盐率90%-99%。能耗与回收率：RO系统占总能耗的60%，回收率约50%-60%。

        电去离子(EDI)系统（以Electropure® EDI为例）：回收率：90%以上。运行电压电流：200~500V,0~3A。产水电阻率：15.0~17.5 MΩ.cm。 最佳进水要求：当量电导率2~10μS/cm，pH7.0~7.5，Fe、Mn、Cl₂、O₃、硫化物、油等检测不出。优势：无需化学再生剂，环保且稳定，产水电阻率可达15~17.5 MΩ.cm。

精化阶段：

       对除盐水或者超纯水进一步处理，严格控制其中杂质成分尤其是特定离子的含量，确保水质达到最高级的标准。

       抛光混床：采用核级抛光树脂，进一步吸附经EDI残留的痕量离子，使产水电阻率从15 MΩ.cm左右一举跃升至18.2 MΩ.cm的理论极限。

       紫外线氧化：利用波长185nm的紫外线产生羟基自由基，将水中微量TOC氧化分解为CO₂和H₂O，确保TOC控制在ppb级以下。

       脱气膜：将溶解氧（DO）降至10ppb以下，避免晶圆氧化。

       终端超滤：去除水中可能存在或者过程中引入的微量细菌和微小颗粒。

       终端精处理：氮气保护防止CO₂溶解导致电阻率下降，管道采用316L EP级不锈钢，Ra<0.5μm。

四、工艺流程：

制备超纯水的典型工艺如下：

       原水→絮凝（PAM）→多介质过滤器（MMF）→活性炭过滤器（ACF）→阳床→超滤（UF）→一级反渗透→二级反渗透→EDI装置→杀菌UV紫外线→氮封纯水箱→除TOC UV装置→抛光混床→终端保安过滤器→终端微滤→终端用水点→氮封水箱

       目前，RO+EDI组合工艺已成为电子行业超纯水制备的主流方案，在新建半导体项目中，EDI技术的应用比例已超过92%。其优势在于将反渗透的高效脱盐与EDI的连续稳定制水相结合，同时避免了传统离子交换工艺（混床）的水质不稳定及酸碱再生问题。

五、超纯水用途：

1、清洗

      在半导体制造过程中，需要多次清洗晶圆（硅片），以去除其表面的微粒、有机物、金属离子和其他污染物。超纯水因为其杂质含量极低，是清洗的理想介质，能够有效去除这些污染物，以防止它们对器件性能产生影响。

2、湿法蚀刻

      在湿法蚀刻过程中，超纯水作为稀释剂或反应介质，用于控制蚀刻速率和选择性，确保蚀刻过程的均匀性和精确性。

3、化学机械抛光（CMP）

      化学机械抛光（CMP）过程中，超纯水不仅用于稀释抛光浆料，还负责清洗抛光后晶圆表面，去除残留颗粒与化学品。CMP是半导体制造中用水量最大的工艺之一，对水质要求极高。

4、离子注入

      在进行离子注入时，需要使用超纯水清洗晶圆，以去除注入过程中产生的残留物，确保注入的均匀和准确。

5、光刻

      在光刻环节，超纯水主要用于光刻胶涂覆和显影后的清洗，以及在浸没式光刻中作为浸没液，置于镜头与晶圆之间以提高分辨率和成像质量。此时，水的折射率必须极度稳定，任何溶解气体或微粒都可能导致图形缺陷。

6、湿法检测

      湿法检测使用超纯水来测试晶圆的电性能，以确保其符合设计规格。

7、湿法去膜

      在某些工艺步骤中，需要除去晶圆表面的一些薄膜，采用湿法去膜的方法，使用超纯水作为去膜剂，以去除这些薄膜而不引入新的污染物。

8、湿法清洗设备

      是指在半导体制造设备的维护和清洗过程中，采用超纯水清洗设备内部，以去除残留的化学品和微粒，预防设备污染。

六、超纯水使用注意事项：

      使用超纯水的注意事项可归纳为以下几个核心方面，确保水质稳定与设备安全：

1、即取即用原则

      超纯水易吸收空气中的二氧化碳、微生物等杂质，因此需尽快使用。避免长时间暴露于开放环境，取水时先放掉初始产水，防止死水污染。

2、严格预处理要求

a.进水预处理 

      需去除悬浮物、有机物及微生物，确保原水符合超纯水设备要求，防止树脂污染。

b.设备预处理 

      滤料、树脂装填前彻底清洗混床、管道等，避免杂质影响设备处理能力。

3、水质监测与容器管理

a.定期检测 

      使用前分装水样检测电阻率、TOC等指标，确保水质达标。

b.专用容器 

      分配时使用无浸出容器（如玻璃瓶），避免二次污染。

七、总结：

      从普通的原水到堪比“工业血液”的超纯水，这背后是多学科技术的集成与对极致纯净的不懈追求。作为支撑半导体等高端制造产业发展的“隐形基石”，超纯水系统的技术水平与稳定运行，直接关系到高科技产业的稳步向前与创新突破。

      同时，作为超纯水制备关键步骤——EDI的供货商，Electropure® EDI将不懈努力，向着更纯、更稳、更绿、更智能的方向演进，为高端制造保驾护航。