电子半导体行业超纯水水质要求？

什么是超纯水?

超纯水（UPW）是除了氢离子与氧离子，几乎没有任何其他杂质的水。

“超纯”强调了水被处理至所有污染物类型的最高纯度，和常用的术语去离子（DI）水不同，除了常规的表征电解质含量的指标（电导率或电阻率）外，根据应用的不同还包括有机和无机化合物、溶解和颗粒物质、细菌及溶解气体等指标。

超纯水的特点和应用领域？

电子行业、太阳能光伏、制药、发电、研究实验室

超纯水是电子行业中常用的术语，但在其他行业诸如太阳能光伏，制药，发电以及研究实验室等也被使用到。虽然每个行业都使用所谓的“超纯水”，但质量标准各不相同。即使在电子行业中，不同应用诸如半导体、液晶面板及各种电子元器件对超纯水的要求也各不相同。其中半导体中代表了“超纯水”使用的最高等级，这也是我们在此要讨论的内容。

半导体超纯水的水质要求？

国际半导体设备及材料协会(International Association of Semiconductor of Equipment and Materials, SEMI) , 其标准最新版本为SEMI F63-0918

国际半导体技术路线图(International Technology Roadmap for Semiconductor, ITRS) , 其标准最新版本为2015 ITRS

美国材料与试验协会（American Society for Testing Materials, ASTM），其标准最新版本为ASTM D5127-13(2018)

以一个中国大陆在建的12寸先进制程晶圆厂为例，超纯水品质要达到以下苛刻的要求：      

 

半导体超纯水系统是工业水处理系统中设计施工最为复杂，材料选择最为讲究，运行控制最为精密的系统，包括了众多的子系统，功能单元及配套系统，所以半导体超纯水的制备过程可以用“千锤百炼”来形容。

业界有不同的方式将半导体超纯水系统细分成不同的子系统，这里将其细分为预处理、除盐水、纯水、循环抛光及回收五大子系统。

预处理系统

去除原水中的悬浮固体、浊度、胶体、大分子有机物等杂质及部分细菌微生物，减轻后续处理单元的负荷，保证其稳定高效运行。

常用的功能单元有多介质过滤、超滤、活性炭过滤及软化等，其中超滤为可代替多介质过滤的新技术，近年来已在一些项目上成功应用，与传统多介质过滤相比，具有占地面积小，过滤精度高，出水水质稳定，自动化程度高等特点。

以杜邦水处理解决方案的超滤膜元件SFP-2880XP为例，它采用杜邦最新的XP超滤膜制造工艺，渗透性提高35%；过滤精度0.03μm，可有效去除悬浮颗粒，胶体，细菌及病原体，出水浊度始终在0.1NTU之下；单支有效膜面积77平方米，处理水量大，占地面积小。

除盐水系统

去除绝大多数的盐分，有机物及弱电解质硅、硼等。其中有两种途径可以实现，当前在半导体超纯水系统中最常见的是使用离子交换工艺。

Plan A

在离子交换工艺中，分别使用阳离子交换器交换阳离子，阴离子交换器交换阴离子、有机物及弱电解质硅、硼等。在两个交换器间根据水质组成可选择使用脱气装置去除溶解CO2， 以降低阴离子交换器的负荷。

在此单元中，优异稳定的产水水质是最关键的指标，同时运行成本也非常重要。而满室床工艺，不论是AMBERPACK还是UPCORE都非常好的与以上两个目标不谋而合，成为半导体超纯水中除盐水子系统的首选。

以使用杜邦水处理解决方案的Amberlite HPR离子交换树脂的AMBERPACK满室床为例，出水电导率小于1μs/cm甚至更低，水利用效率大于95%，再生剂耗量相比传统的逆流再生可节省15-30%。

Plan B

另一种方式是使用反渗透膜法，具有进水盐分允许范围宽、占地面积小、模块化设计、运维自动化程度高等特点。但此应用中，要特别注意反渗透对有机物及特定溶质（比如硼）的脱除效率有限的问题，杜邦水处理解决方案推荐使用高脱盐的反渗透膜来弥补这方面的不足，如FILMTEC ECO系列反渗透膜。

纯水系统

在进入超纯水箱和最终的循环抛光段前，进一步改善水质尤其是有机物、颗粒物及特定溶质等指标，达到或基本上接近最终水质要求。经过本系统后，一般要达到电阻率大于18 MΩ・cm，TOC在几个ppb之内，硼小于50ppt。

最常见工艺组合是反渗透膜 + 可再生混床 + 脱气，在这里对反渗透膜和离子交换树脂的纯度要求更高，即本省所溶出或释放的杂质极少，所以反渗透膜一般在使用前要进行额外的冲洗处理或直接选用半导体级（SG grade）的反渗透膜，离子交换树脂也是如此。

杜邦超纯水级的可再生阳离子交换树脂AMBERJET™ UP1400 和阴离子交换树脂AMBERJET™ UP4000除了具有非常优异的常规性能外，自身的纯净度也非常优异，两者搭配应用在半导体超纯水再生混床中，新树脂冲洗很快可以达到且稳定在电阻率大于18 MΩ・cm且TOC小于<2ppb的出水水平。

循环抛光系统

在用水点之前，使用热交换、紫外、树脂净化、脱气及精密过滤等手段，达到最终恒定温度、恒定压力、恒定水质的目标。因为超纯水的性质非常活跃，无法静态保存，故在抛光系统中超纯水以不断的净化循环的方式来保持其纯净度，故称之为循环抛光系统。

而抛光树脂床犹如一道“防火墙”，树立起最后的屏障，对超纯水起进一步精制的作用，以应对水质短期内的细微波动，满足终端对电阻率、TOC、硅、硼及单个离子指标的恒定要求。

而用在这里的不可再生的抛光混床树脂，既要具有极高的纯净度，又要具有对痕量离子及污染物很高的选择能力和去除效果。

杜邦出品的半导体超纯水级不可再生的抛光混床树脂AMBERJET™ UP6040，其自身的TOC及颗粒物释放极低，同时产水中绝大多数单个离子可以达到检测下限ppt级别，硅和硼的泄露一般也在50ppt以下。

对抛光混床树脂的使用有一个误区，认为前序系统处理效果差没有关系，最终的抛光混床会解决所有的问题，所以出现的现象是：终端的水质不时波动，抛光树脂寿命缩短，为了保证水质，不得不频繁更换抛光树脂，甚至使用多级抛光处理。

对此，杜邦水处理解决方案的建议是：

前序单元的运行与抛光段一样重要；满足一定指标的水质才能进入抛光段；正常情况下抛光处理一级足矣；始终牢记抛光精制混床只是“防火墙”！

 

对于AMBERJET™ UP6040，推荐的进水水质为：

电阻率: > 17 MΩ・cm

硅: < 2 ppb

TOC: < 15 ppb

回收系统

通过有效的水管理机制，合理分类和收集生产过程中比较清洁的水，回收并作为超纯水系统的补水循环利用。

在半导体出现并发展的几十年里，从制造工艺中回收冲洗水作为超纯水系统补水一直都不被鼓励，因为化学残留物和颗粒污染物最终返回到超纯水中会导致产品的缺陷。

直到近几年来，水资源成本的增加以及排放法规的日益严格迫使生产商不断增加投入，用于水的回收与处理。

经过不断的摸索，当前比较成熟可靠且相对经济的策略是：

回收非常干净的后道冲洗水作为超纯水系统的补水；

处理中度污染的前道冲洗水及其他用水经过合理的处理后降级使用；

收集重度污染水处理后达标排放；

浓缩净化有价值的化学药剂；

其中，超滤、反渗透及离子交换树脂都是常使用到的处理手段。

杜邦水处理解决方案的超滤、反渗透及离子交换树脂三大类水处理核心产品，经历了超纯水行业的检验，在全球范围内获得了很高的市场占有率和认可度，同时凭借尖端的研发和先进的生产，持续助力半导体乃至整个电子行业的发展！ 是陶氏杜邦的合作伙伴，我们致力推广和销售杜邦超滤、反渗透膜及离子交换树脂。