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半導(dǎo)體工業(yè)超純水技術(shù)指標(biāo)及其制備

發(fā)布日期:2023-11-02 16:32:13    文章編輯:反滲透純水設(shè)備|純水設(shè)備|超純水設(shè)備|去離子設(shè)備-東莞市杰邦水處理有限公司    閱讀量: 586

一、半導(dǎo)體行業(yè)超純水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

半導(dǎo)體工業(yè)需要大量的超純水,隨著半導(dǎo)體工業(yè)的發(fā)展,對(duì)超純水水質(zhì)的要求日趨嚴(yán)格。當(dāng)前半導(dǎo)體工業(yè)的超純水的水質(zhì)指標(biāo)要求,甚至嚴(yán)格于我國(guó)國(guó)標(biāo)電子水的最高標(biāo)準(zhǔn)要求,如微粒子,TOC,電阻率,溶解氧等。因此,相比于其他行業(yè)的超純水,需要更加嚴(yán)格的深度處理技術(shù),如深度處理顆粒物,有機(jī)物,深度脫鹽,深度脫氣技術(shù)等等。其部分參考標(biāo)準(zhǔn)如下:

ASTM-D5127-2007《美國(guó)電子學(xué)和半導(dǎo)體工業(yè)用超純水標(biāo)準(zhǔn)》

半導(dǎo)體超純水設(shè)備


中國(guó)國(guó)家電子級(jí)超純水規(guī)格GB/T11446-1997

半導(dǎo)體超純水設(shè)備


超純水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)易版理解

半導(dǎo)體超純水設(shè)備


二、為什么半導(dǎo)體行業(yè)對(duì)水質(zhì)要求這么高?

半導(dǎo)體行業(yè)用水水質(zhì)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(biāo),略微差異,可能導(dǎo)致半導(dǎo)體元器件生產(chǎn)過(guò)程的產(chǎn)品質(zhì)量和合格率的下降,具體的影響如下:

TOC(總有機(jī)碳):影響光刻精度,影響芯片質(zhì)量。

DO(溶解氧):滋生細(xì)菌,形成氧化層,影響芯片質(zhì)量。

Boron(硼元素):影響P-N結(jié),影響芯片質(zhì)量。

Silica(硅元素):造成晶圓水斑,影響芯片質(zhì)量。

金屬離子:影響晶圓原子密度,影響芯片質(zhì)量。

微粒:影響光刻精度,導(dǎo)電微粒會(huì)直接導(dǎo)致短路。

詳細(xì)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(dǎo)體超純水設(shè)備


三、半導(dǎo)體行業(yè)超純水應(yīng)用場(chǎng)景

在半導(dǎo)體生產(chǎn)中,超純水可以應(yīng)用于晶圓沖洗,化學(xué)品稀釋,化學(xué)機(jī)械研磨,潔凈室環(huán)境的加濕源等場(chǎng)合,超純水的品質(zhì)與半導(dǎo)體的良品率直接相關(guān),隨著半導(dǎo)體元器件尺寸縮小與精細(xì)度上升,超純水水質(zhì)技術(shù)要求也在不斷上升。

半導(dǎo)體工業(yè)芯片制造的全流程,主要流程如下
半導(dǎo)體超純水設(shè)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(xué)雜質(zhì),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(dǎo)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(fù)和光刻質(zhì)量。

3. 刻蝕和腐蝕:超純水在半導(dǎo)體刻蝕和腐蝕過(guò)程中用于冷卻和清洗,以維護(hù)工藝的精確性和一致性。

4. 化學(xué)機(jī)械拋光(CMP): CMP過(guò)程中使用超純水來(lái)冷卻、清洗和運(yùn)輸晶圓,以確保CMP過(guò)程中表面的平坦性和質(zhì)量。

5.電子化學(xué)沉積(ECD):超純水用于清洗金屬薄膜、電解質(zhì)和其他材料,以確保電子化學(xué)沉積過(guò)程的準(zhǔn)確性和一致性。

6.設(shè)備冷卻和冷卻塔:超純水還用于半導(dǎo)體設(shè)備的冷卻,以保持設(shè)備在適宜的工作溫度下運(yùn)行。

7.研究和開發(fā):半導(dǎo)體研究和開發(fā)實(shí)驗(yàn)通常需要高純度水來(lái)確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。

半導(dǎo)體超純水設(shè)備


四、半導(dǎo)體行業(yè)超純水工藝設(shè)計(jì)

鑒于上述種種,芯片行業(yè)的超純水制備需要經(jīng)過(guò)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(jī)物(TOC和殺菌)和脫氣工藝(深度脫氧等)。其中各個(gè)工藝的組合,根據(jù)不同的原水水質(zhì)及處理水水質(zhì)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(guò)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(tǒng)的純水制造工藝中,顆粒物的處理一般是多介質(zhì)過(guò)濾器(MMF)+活性炭過(guò)濾器(ACF),在半導(dǎo)體行業(yè)超純水的制造中,對(duì)顆粒物尺寸的要求更加嚴(yán)格,甚至嚴(yán)格到50nm微粒子的程度,且目前很多半導(dǎo)體公司要求微粒子(小于50nm)的數(shù)量需小于100個(gè)/L。所以僅僅MMF+ACF,很難達(dá)到要求。這個(gè)需要用精密膜過(guò)濾裝置進(jìn)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(guò)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(guò)濾裝置,能滿足對(duì)顆粒物去除的要求。

半導(dǎo)體工業(yè)超純水制造工藝中,一般去除顆粒物,分為初始過(guò)濾,如MMF+ACF等;中端過(guò)濾裝置,如RO前端的安全過(guò)濾器等:為了保證RO穩(wěn)定高效運(yùn)行,需要RO入口水SDI<5;終端過(guò)濾,一般是設(shè)置在最終端,通常是MF膜過(guò)濾裝置。所有工序完成后,可能前段過(guò)程中會(huì)有少量散落的微小顆粒,對(duì)微粒子進(jìn)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(guī)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(dǎo)體行業(yè)超純水對(duì)于電阻率的要求非常嚴(yán)格,電阻率大于18.2(MΩ*cm),理論上幾乎不含離子,常規(guī)的單一工藝很難達(dá)到這一要求。一般都是幾種工藝聯(lián)合使用,如樹脂+RO+EDI+拋光樹脂等,各地自來(lái)水的離子含量也各有差別,根據(jù)不同的情況調(diào)整工藝組合情況,一般在顆粒物初級(jí)去除后,就需要進(jìn)行脫鹽工藝。

去有機(jī)物工藝

由于超純水的原水通常是自來(lái)水,我國(guó)的國(guó)標(biāo)規(guī)定的自來(lái)水沒(méi)有TOC的標(biāo)準(zhǔn),代表有機(jī)物含量的指標(biāo)是CODmn,限值是3ppm(3000ppb),常規(guī)的自來(lái)水中的TOC大概在1~3ppm左右。表中對(duì)TOC的要求是ppb(μg/L)級(jí)的,所以對(duì)于TOC的處理也是需要多級(jí)工藝處理才可能達(dá)到水質(zhì)要求。ACF、UF、RO和EDI 等都有處理TOC的能力。通常經(jīng)過(guò)這些前端處理,TOC大概降至10~30ppb左右,再通過(guò)TOC-UV燈裝置,能將TOC降至小于1ppb,最終達(dá)到半導(dǎo)體工廠的超純水水質(zhì)要求。

脫氣工藝(這個(gè)是重點(diǎn))

常規(guī)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(xué)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(xué)特征,通過(guò)加熱來(lái)去除溶解性氣體;化學(xué)脫氣一般是水中加入還原性的化學(xué)物質(zhì),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(jìn)的工藝,脫氣效果也比較好,通過(guò)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(huì)擴(kuò)散到氣相中,從而達(dá)到去除溶解性氣體的作用。

脫氣膜內(nèi)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(guò)這種小孔,而氣體分子卻能夠穿過(guò)。工作時(shí),水流在一定的壓力下從中空纖維的里面通過(guò),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(fù)壓,這樣水中的氣體就不斷從水中經(jīng)中空纖維向外溢出,從而達(dá)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(kuò)大氣液界面的面積,從而使脫氣速度加快。國(guó)內(nèi)已有最新研發(fā)的具有高效脫除率的脫氣膜產(chǎn)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(dá)5ppm??蓮V泛用于電子、鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)和氨氮廢水的處理。

行業(yè)的不同,對(duì)于溶解性氣體的要求也不一樣,對(duì)于半導(dǎo)體行業(yè)的溶解性氣體,我國(guó)國(guó)標(biāo)對(duì)于電子水的規(guī)定中沒(méi)有這些指標(biāo),但是近年的半導(dǎo)體行業(yè),對(duì)于溶解氧(DO)的要求甚至嚴(yán)格到小于1ppb,所以去除水中的溶解氧是技術(shù)難點(diǎn),在去除的同時(shí),還要保證隔絕空氣,對(duì)于容器和管道的氣密性要求非常嚴(yán)格。通常半導(dǎo)體工業(yè)超純水深度脫氣是通過(guò)多級(jí)脫氣膜聯(lián)合運(yùn)行,才能達(dá)到這一要求,且對(duì)脫氣膜的性能要求也特別高。

對(duì)于超純水的出水水質(zhì)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(yán)格,所以超純水制造工藝中,除了各種處理工藝,對(duì)于設(shè)備的材質(zhì)要求也很高,不合適的材質(zhì)可能導(dǎo)致雜質(zhì)溶出,造成二次污染,目前超純水的過(guò)流材料一般是PVDF,PTFE,PFA等材質(zhì)的特別穩(wěn)定的高分子合成材料。

芯片行業(yè)超純水工藝參考設(shè)計(jì)圖如下:

半導(dǎo)體超純水設(shè)備

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