半導體工業超純水技術：標準、制備與應用解析

一、半導體超純水核心水質標準與技術挑戰

半導體制造對超純水的水質要求已超越常規工業標準，其核心指標聚焦于微粒子、總有機碳（TOC）、電阻率、溶解氧（DO）及特定痕量元素（如硼、硅等）的精準控制。以國際主流標準為例：

• ASTM-D5127-13（2018）Type E-1.3要求超純水中粒徑＞0.05μm的顆粒數＜500個/L，TOC＜1ppb，電阻率≥18.2 MΩ.cm（25℃），溶解氧＜10ppb，金屬離子≤0.001ppb。

• 中國GB/T11446.1-2013電子級超純水電阻率：≥18.2MΩ.cm（25℃），全硅：≤2ppb，微顆粒物＞0.05μm：500個/L，細菌個數：≤0.01cfu/ml，TOC≤20ppb，金屬離子≤0.5ppb。

二、高純度水的必要性：半導體制造的“生命線”

超純水在半導體制造中扮演核心角色，任何微量雜質均可能導致災難性后果：

TOC：有機物在光刻中形成殘留，導致圖形失真；

金屬離子（Na?、K?等）：改變硅晶格結構，降低載流子遷移率；

溶解氧：加速金屬導線腐蝕，形成氧化層缺陷；

微粒：50nm顆粒即可造成納米級電路的斷路或短路。

例如，3D NAND或5nm制程芯片對超純水的依賴更甚，水質不達標可能導致整批晶圓報廢。

三、超純水的核心應用場景

1. 晶圓清洗：去除切割、研磨后的顆粒和金屬殘留；
2. 光刻工藝：沖洗掩膜版和晶圓，確保曝光精度；
3. 刻蝕與CMP：冷卻和清洗，維持工藝穩定性；
4. 化學沉積（ECD）：作為高純溶劑，避免沉積污染；
5. 設備冷卻：防止冷卻系統結垢或腐蝕。

四、超純水制備工藝：多級協同凈化

半導體超純水的制備需結合物理、化學及膜技術，典型流程如下：

1. 顆粒物去除

•  預處理：多介質過濾器（MMF）+活性炭（ACF）去除大顆粒和余氯；

•  精密過濾：超濾（UF，0.001~0.02μm）+反滲透（RO，0.0001μm）攔截納米級微粒；

•  終端拋光：0.02μm微濾（MF）或超純水專用濾芯，確保出水顆粒達標。

2. 深度脫鹽

•  反滲透（RO）：去除90%以上離子；

•  電去離子（EDI）：結合離子交換樹脂和電場，實現連續脫鹽；

•  拋光混床樹脂：進一步將電阻率提升至18.2 MΩ•cm。

3. TOC與有機物控制

•  活性炭吸附：去除大分子有機物；

•  UV氧化：185nm紫外燈分解TOC為CO?和水；

•  RO/EDI輔助：截留小分子有機物。

4. 脫氣技術（關鍵難點）

•  膜脫氣（Membrane Degasification）：通過疏水性中空纖維膜，在真空條件下去除O?、CO?，DO可降至1 ppb以下；

•  化學還原：添加氫氣或亞硫酸鈉，還原殘留溶解氧；

•  系統密封設計：采用PVDF、PFA等惰性材料，避免氣體滲入。

五、技術挑戰與未來趨勢

1. 納米級微粒控制：需開發更高效的UF/NF膜材料；

2. 超低TOC：新型UV-臭氧協同氧化技術的研究；

3. 智能化監控：在線傳感器實時檢測ppb級雜質；

4. 綠色工藝：減少化學品消耗（如樹脂再生廢液）。