一、半導體超純水的核心指標與標準

二、制備流程：從原水到超純水的多級處理工藝

1. 預處理階段：去除大顆粒雜質與有機物

· 多介質過濾：

· 采用石英砂、活性炭、無煙煤等多層濾料，去除原水中的懸浮物、鐵銹、膠體（粒徑＞1μm）及部分有機物（活性炭吸附）。

· 作用：保護后續(xù)膜組件，防止大顆粒堵塞。

· 超濾（UF）：

· 利用 0.01μm 孔徑的中空纖維膜，去除細菌、病毒、膠體及大分子有機物，產(chǎn)水濁度＜0.1 NTU。

· 特點：相比傳統(tǒng)砂濾，超濾效率更高，且能有效控制微生物污染。

· 軟化 / 脫碳（可選）：

· 通過陽離子交換樹脂去除鈣鎂離子（降低硬度，防止 RO 膜結垢），或通過脫碳塔吹脫 CO₂，避免后續(xù)離子交換樹脂負荷過高。

2. 核心純化階段：深度去除離子與有機物

· 反滲透（RO）：

· 采用高壓（10-15 bar）驅動的芳香族聚酰胺復合膜，孔徑 0.0001μm，脫鹽率＞99%，去除水中 90% 以上的離子、有機物及細菌。

· 作用：將原水電阻率從＜100 μS/cm 提升至 1-10 MΩ・cm，大幅降低后續(xù)離子交換負荷。

· 電去離子（EDI）：

· 結合離子交換樹脂與電滲析技術，通過電場作用持續(xù)再生樹脂，無需化學藥劑即可將電阻率提升至 15-18 MΩ・cm，同時去除殘留離子（如 SiO₂）。

· 優(yōu)勢：相比傳統(tǒng)混床離子交換，EDI 無需再生廢液，環(huán)保且純度更穩(wěn)定。

· 紫外氧化（UV）：

· 采用 185nm+254nm 雙波長 UV 燈，分解水中的有機物（如 TOC 降至＜10 ppb），并滅活微生物（破壞 DNA 結構）。

· 原理：185nm UV 直接光解有機物，254nm UV 輔助殺菌，同時產(chǎn)生・OH 自由基強化氧化效果。

3. 終端處理階段：極致凈化與水質維持

· 拋光混床（Polishing Resin）：

· 填充高純度陰 / 陽離子交換樹脂（粒徑＜50μm），進一步去除 EDI 出水中殘留的微量離子（如 Li⁺、B³⁺），使電阻率達到 18.2 MΩ・cm。

· 注意：樹脂需定期更換（壽命通常 3-6 個月），避免微生物滋生。

· 超濾（終端 UF）：

· 采用 0.01μm 或更小孔徑的聚醚砜（PES）膜，過濾掉樹脂碎屑、微生物殘骸等顆粒，確保顆粒度＜0.1μm。

· 微濾（MF）或納米濾（NF）（可選）：

· 對于更高精度需求（如 7nm 以下制程），可增加 0.05μm 膜過濾，進一步攔截膠體或聚合有機物。

4. 循環(huán)系統(tǒng)：防止二次污染

· 全不銹鋼 / PVDF 管道：

· 采用電解拋光不銹鋼（EP 級）或聚偏氟乙烯（PVDF）材質，內壁粗糙度＜0.5μm，避免金屬離子析出或微生物附著。

· 恒溫循環(huán)：

· 水溫控制在 20-25℃，減少離子活性變化，并通過持續(xù)循環(huán)（流速＞1m/s）防止死水段微生物繁殖。

· 在線監(jiān)測：

· 實時監(jiān)測電阻率、TOC、顆粒度、微生物等指標，數(shù)據(jù)異常時自動觸發(fā)再生或沖洗流程。

三、關鍵技術難點與解決方案

1. 硅元素（SiO₂）的去除

· 挑戰(zhàn)：水中硅酸（H₂SiO₃）以分子態(tài)存在，傳統(tǒng) RO 難以去除，殘留的 SiO₂會在晶圓表面形成缺陷。

· 解決方案：

· 通過 EDI 中的強堿性樹脂（OH⁻型）吸附硅酸根離子（SiO₃²⁻），或在終端增加專用硅吸附樹脂。

2. 微生物控制

· 風險：超純水中微生物即使極少（如 1 CFU/mL），其代謝產(chǎn)物也可能污染晶圓。

· 控制手段：

· 定期用臭氧（O₃）或過氧化氫（H₂O₂）沖洗管道，破壞生物膜；

· 管道設計避免死角，采用熱熔焊接減少接縫；

· 在線監(jiān)測 ATP（三磷酸腺苷），快速檢測微生物活性。

3. 有機物深度去除

· 技術升級：

· 采用 “UV + 臭氧 + 活性炭” 組合工藝，其中臭氧 - UV 協(xié)同氧化可將 TOC 降至＜5 ppb；

· 使用親水性活性炭（如椰殼活性炭），增強對小分子有機物的吸附能力。

四、行業(yè)標準與應用場景

· SEMI 標準：

· 半導體超純水分為不同等級（如 SEMI E1.1），對應不同制程需求：

· 18.2 MΩ・cm@25℃：適用于 14nm 以下先進制程；

· 15-18 MΩ・cm：適用于 28nm-1μm 制程。

· 應用場景：

· 晶圓清洗（占超純水用量 70%）：去除表面污染物；

· 蝕刻液 / 電鍍液配制：避免雜質影響薄膜成分；

· 光刻膠清洗：防止圖案失真；

· CMP（化學機械拋光）：作為拋光液載體，避免顆粒殘留。

五、成本與效率優(yōu)化

· 廢水回收：
RO 濃水（約占原水 70%）可通過二級 RO 或蒸發(fā)冷凝回收，用于預處理階段，降低水資源消耗。

· 智能化管理：
采用 PLC 控制系統(tǒng)，根據(jù)水質數(shù)據(jù)自動調整各階段運行參數(shù)（如 RO 壓力、UV 功率），減少人工干預與能耗。

總結

半導體超純水的制備是 “物理過濾 + 化學純化 + 微生物控制” 的多維度協(xié)同過程，其核心在于通過多級精密處理，將水中離子、有機物、顆粒、微生物等雜質控制在 “趨近于零” 的水平。隨著半導體制程向 3nm 及以下演進，超純水的純度要求還將進一步提升，推動制備技術向更高效、更低成本的方向發(fā)展。