半導體行業生產用水中的微顆粒物與硅的危害及去除工藝

微顆粒物的危害

微顆粒物的概念：微顆粒物指的是水中懸浮的、尺寸極小的固體顆粒，通常是硅化物、金屬氧化物或有機物。

微顆粒物的危害：

1. 物理性破壞——導致短路或斷路

一顆直徑僅為0.1微米（100納米）的顆粒，對于一個線寬僅幾十納米的晶體管來說，就像一座小山。如果在光刻環節落在硅片上，它會遮擋光線，導致圖形缺陷（如短路或斷路）。

在芯片制造中，有成千上萬個這樣的晶體管和電路。即使一顆微粒落在關鍵區域，也會導致整個芯片或部分功能失效。這直接降低了良率。

2. 干擾光刻工藝

現代光刻使用波長極短的光源（如DUV和EUV）。晶圓表面的微粒會造成光的散射和衍射，使投影到光刻膠上的圖形失真、模糊或出現缺口，從而制造出不合格的電路。

3. 污染源和成核點

顆粒物本身可能含有金屬離子等污染物，會成為后續工藝的污染源。

在高溫工藝（如退火、薄膜沉積）中，顆粒物可能成為不必要的成核中心，導致薄膜生長不均勻，產生應力缺陷。

半導體行業用水標準中對微顆粒物的要求

在美國電子級用水標準ASTM D5127-13（2018） Type E-1.3 中微顆粒物（＞0.05微米）＜500個/L

在中國電子級水標準GB/T11446.1—2013 EW-I 中微顆粒物（0.05μm~0.1μm）＜500個/L、微顆粒物（0.1μm~0.2μm）＜300個/L、微顆粒物（0.2μm~0.3μm）＜50個/L、微顆粒物（0.3μm~0.5μm）＜20個/L、微顆粒物（＞0.5微米）＜4個/L

硅是芯片的基底，也是致命的污染物

這是最根本的原因，一種“成也蕭何，敗也蕭何”的關系。

芯片的“地基”：絕大多數半導體芯片是制作在硅晶圓（Silicon Wafer） 上的。晶圓本身是高純度的單晶硅。我們希望在晶圓上通過精確的工藝，生長出所需的二氧化硅層（SiO?，作為絕緣層）或沉積其他材料。

不受控的硅是“敵人”：如果外來的、不受控制的硅（來自水中）污染了晶圓表面，它就會與原本設計好的精密工藝發生沖突。它不再是“地基”，而是“雜草”，會破壞計劃的電路結構。

類比：這就像你要在一塊純凈的大理石（硅晶圓）上雕刻一件精美的藝術品（芯片電路）。你希望按照自己的設計來雕刻。但如果空氣中飄散著大理石粉末（水中的硅污染），它們會不受控制地落在你的刻線上，徹底破壞你的作品。

可溶性硅的獨特危害：形成難以去除的“玻璃狀”硬垢

可溶性硅（主要以硅酸H?SiO?形式存在）在水中是看不見的，但其危害性極大且隱蔽。

1. 蒸發析出與聚合

在用超純水清洗晶圓后，晶圓表面會進行干燥。水分蒸發時，水中的可溶性硅會被濃縮，發生聚合反應，從可溶性狀態轉變為不溶性的二氧化硅（SiO?），并牢固地附著在晶圓表面。

2. 頑固的污垢

這種原位生成的SiO?薄膜非常致密、堅硬且化學惰性。常規的半導體清洗液（如SC1：氨水+雙氧水）都難以將其完全去除。

3. 破壞核心結構

柵極氧化層（Gate Oxide）：這是晶體管的心臟，如今只有幾個原子層的厚度。如果在生長這層高質量的SiO?之前，表面就有雜質硅垢，會導致氧化層厚度不均、產生針孔缺陷，造成柵極漏電，使器件性能下降甚至失效。

影響薄膜沉積：硅垢會成為異質成核點，導致后續沉積的多晶硅、金屬、介質層等薄膜不均勻，產生應力、龜裂或附著力問題。

膠體硅（顆粒硅）的物理性危害：納米尺度的“隕石”

膠體硅是微小的不溶性SiO?顆粒，懸浮在水中。它的危害是物理性的。

1. 尺度災難

現代芯片工藝進入納米級別（如3nm、5nm）。一顆尺寸為0.1微米（100納米） 的膠體硅顆粒，對于一條僅幾十納米寬的電路線來說，無異于一顆巨大的“隕石”。

2. 直接破壞圖形

光刻（Lithography）：如果顆粒落在光刻膠上，會遮擋曝光光線，導致投影到晶圓上的電路圖形出現缺損、短路或斷路。

3. 缺陷與良率

這樣的一顆顆粒落在關鍵區域，就足以讓一個價值不菲的芯片直接報廢，直接沖擊生產良率（Yield）。

半導體行業用水標準中對硅的要求

在美國電子級用水標準ASTM D5127-13（2018） Type E-1.3 中硅：＜0.5ppb

在中國電子級水標準GB/T11446.1—2013 EW-I 中全硅：≤2ppb

在半導體行業生產用水中，純水系統對微顆粒物和硅的去除工藝

階段一：預處理 - 粗過濾與保護

此階段目標是減輕后續核心單元的處理負荷，特別是去除膠體硅和較大顆粒物。

1. 多介質過濾器 (Multi-Media Filter)：

作用：通過不同粒徑的石英砂、無煙煤等介質，依靠機械截留作用去除水中的懸浮物、泥沙和較大顆粒的膠體硅。

2. 超濾 (UF - Ultrafiltration)：

作用：這是去除膠體硅、細菌、大分子有機物和絕大多數微顆粒物的核心屏障之一。UF膜的孔徑在0.01-0.1μm（10-100納米）級別，能有效截留絕大部分膠體物質。

重要性：保護下游的反滲透（RO）膜不被污染和堵塞。

3. 保安過濾器 (Cartridge Filter)：

作用：通常采用5μm或1μm的濾芯，作為RO系統前的最后一道保險，防止任何意外的大顆粒物進入并損傷精密且昂貴的RO膜高壓泵和膜元件。

階段二：主除鹽 - 深度純化的核心

此階段是去除可溶性離子（包括可溶性硅） 的絕對主力。

1. 反滲透 (RO - Reverse Osmosis)：

作用：這是整個系統去除可溶性硅的“第一道核心關口”。RO膜通過高壓使水分子透過致密的半透膜，而＞99% 的溶解鹽分（包括硅酸根離子）、有機物和微顆粒物被截留并排出。

效率：一套設計良好的RO系統可以去除97%-99% 的可溶性硅，將其從進水中的ppm級別降至ppb級別。

2. 電去離子 (EDI - Electrodeionization)：

作用：將電滲析和離子交換技術結合。在直流電場作用下，水中的離子（包括殘余的硅酸根離子SiO?²?）定向遷移并通過離子交換膜被去除。

優勢：可以連續運行、無需化學再生，能穩定地將硅含量控制在極低水平（< 1 ppb），是RO和后續拋光混床之間的完美橋梁。

階段三：后處理（拋光） - 終極凈化

即使經過RO和EDI，水質仍可能無法滿足半導體級的極端要求，需要最終的精加工或“拋光”。

1. 紫外線燈 (UV - Ultraviolet)：

作用：主要使用185nm波長的UV燈，不僅能殺滅細菌，更能高效分解水中的微量TOC（總有機碳），防止細菌尸體和有機物成為顆粒物污染源。

2. 拋光混床 (Polishing Mixed Bed)：

作用：將H?型陽樹脂和OH?型陰樹脂混合在一個容器中，進行終極的離子交換。這是確保出水電阻率達到18.2 MΩ·cm（25°C）絕對理論值、并將可溶性硅含量降至0.01 ppb級的最終保障。

3. 終端超濾 (Point-of-Use UF)：

作用：這是去除納米級顆粒物（包括殘余的膠體硅）的“最后一道防線”。使用孔徑極小的濾膜（0.1μm 或甚至 0.05μm），安裝在最靠近用水點的位置，確保最終產水中大于目標尺寸的顆粒數趨近于零。

系統保障：防止二次污染

擁有先進工藝單元還不夠，系統設計至關重要。

循環管路：超純水必須24小時連續循環，保持湍流狀態，防止死水滋生微生物和顆粒脫落。

管路材質：全部使用高光滑度的PVDF（聚偏二氟乙烯） 或低碳不銹鋼，確保管道本身不腐蝕、不脫落顆粒。

實時監測：系統配備在線儀表，連續檢測水中的顆粒數（Particle Count）、TOC、電阻率和硅含量，實現實時監控和預警。