一、半导体行业超纯水水质标准

半导体工业需要大量的超纯水，随着半导体工业的****展，对超纯水水质的要求日趋严格。当前半导体工业的超纯水的水质指标要求，甚至严格于我国国标电子水的最高标准要求，如微粒子，TOC，电阻率，溶解氧等。因此，相比于其他行业的超纯水，需要更加严格的深度处理技术，如深度处理颗粒物，有机物，深度脱盐，深度脱气技术等等。其部分参考标准如下：

ASTM-D5127-2007《美国电子学和半导体工业用超纯水标准》

中国国家电子级超纯水规格GB/T11446-1997

超纯水水质标准简易版理解

二、为什么半导体行业对水质要求这么高？

半导体行业用水水质中，电阻率，微粒子，气泡（溶解氧，溶解氮)和TOC是非常重要的指标，略微差异，可能导致半导体元器件生产过程的产品质量和合格率的下降，具体的影响如下：

TOC（总有机碳）：影响光刻精度，影响芯片质量。

DO（溶解氧）：滋生细菌，形成氧化层，影响芯片质量。

Boron（硼元素）：影响P-N结，影响芯片质量。

Silica（硅元素）：造成晶圆水斑，影响芯片质量。

金属离子：影响晶圆原子密度，影响芯片质量。

微粒：影响光刻精度，导电微粒会直接导致短路。

详细见下图。总之，水不够纯净，就做不成合格的高端芯片。芯片越高端，所需纯水的纯度就越高。

三、半导体行业超纯水应用场景

在半导体生产中，超纯水可以应用于晶圆冲洗，化学品稀释，化学机械研磨，洁净室环境的加湿源等场合，超纯水的品质与半导体的良品率直接相关，随着半导体元器件尺寸缩小与精细度上升，超纯水水质技术要求也在不断上升。

半导体工业芯片制造的全流程，主要流程如下

超纯水在各流程中的基本作用如下：

1. 晶圆制备：超纯水用于清洁、去除颗粒和化学杂质，确保晶圆表面的洁净度，从而降低制造缺陷。

2. 光刻工艺：在半导体光刻工艺中，超纯水用于洗净掩膜板、镜片和晶圆，以确保图案的精确重复和光刻质量。

3. 刻蚀和腐蚀：超纯水在半导体刻蚀和腐蚀过程中用于冷却和清洗，以维护工艺的精确性和一致性。

4. 化学机械抛光（CMP）： CMP过程中使用超纯水来冷却、清洗和运输晶圆，以确保CMP过程中表面的平坦性和质量。

5.电子化学沉积（ECD）：超纯水用于清洗金属薄膜、电解质和其他材料，以确保电子化学沉积过程的准确性和一致性。

6.设备冷却和冷却塔：超纯水还用于半导体设备的冷却，以保持设备在适宜的工作温度下运行。

7.研究和开****：半导体研究和开****实验通常需要高纯度水来确保实验的准确性和可重复性。

四、半导体行业超纯水工艺设计

鉴于上述种种，芯片行业的超纯水制备需要经过以下净化工艺，分别为去颗粒物工艺（包括微粒子和T-Si等），脱盐工艺，去有机物(TOC和杀菌)和脱气工艺（深度脱氧等）。其中各个工艺的组合，根据不同的原水水质及处理水水质要求等而有所差异。

颗粒物去除工艺

超纯水中制造中颗粒物的去除方法一般是过滤去除或者吸附去除，不同尺寸的颗粒物所需的工艺也有差异。传统的纯水制造工艺中，颗粒物的处理一般是多介质过滤器(MMF)+活性炭过滤器(ACF)，在半导体行业超纯水的制造中，对颗粒物尺寸的要求更加严格，甚至严格到50nm微粒子的程度，且目前很多半导体公司要求微粒子(小于50nm)的数量需小于100个/L。所以仅仅MMF+ACF，很难达到要求。这个需要用精密膜过滤装置进一步处理微小尺寸的颗粒物，如微滤(MF)，超滤(UF)，纳滤(NF)和反渗透(RO)等等。

MF的孔径在0.02～10μm，UF的过滤孔径在0.001～0.02μm，反渗透的孔径为0.0001～0.001μm，理论上组合膜过滤装置，能满足对颗粒物去除的要求。

半导体工业超纯水制造工艺中，一般去除颗粒物，分为初始过滤，如MMF+ACF等;中端过滤装置，如RO前端的安全过滤器等：为了保证RO稳定高效运行，需要RO入口水SDI<5;终端过滤，一般是设置在最终端，通常是MF膜过滤装置。所有工序完成后，可能前段过程中会有少量散落的微小颗粒，对微粒子进行最后的深度处置。

脱盐工艺

脱盐工艺即去除水中离子的工艺，电阻率是水中离子含量的表征。常规的脱盐工艺为RO浓缩工艺，离子交换树脂的吸附工艺和电去离子(EDI)工艺等等。

半导体行业超纯水对于电阻率的要求非常严格，电阻率大于18.2(MΩ*cm)，理论上几乎不含离子，常规的单一工艺很难达到这一要求。一般都是几种工艺联合使用，如树脂+RO+EDI+抛光树脂等，各地自来水的离子含量也各有差别，根据不同的情况调整工艺组合情况，一般在颗粒物初级去除后，就需要进行脱盐工艺。

去有机物工艺

由于超纯水的原水通常是自来水，我国的国标规定的自来水没有TOC的标准，代表有机物含量的指标是CODmn，限值是3ppm（3000ppb），常规的自来水中的TOC大概在1~3ppm左右。表中对TOC的要求是ppb（μg/L）级的，所以对于TOC的处理也是需要多级工艺处理才可能达到水质要求。ACF、UF、RO和EDI 等都有处理TOC的能力。通常经过这些前端处理，TOC大概降至10~30ppb左右，再通过TOC-UV灯装置，能将TOC降至小于1ppb，最终达到半导体工厂的超纯水水质要求。

脱气工艺（这个是重点）

常规的超纯水制造中，脱气的工艺一般是物理脱气，热力除气，化学脱气，膜脱气。物理脱气如常用的脱气塔，用物理搅拌的方法脱除水中的溶解性二氧化碳;热力除气，利用温度越高，水中气体溶解性越低的物理学特征，通过加热来去除溶解性气体；化学脱气一般是水中加入还原性的化学物质，如亚硫酸钠，氢气等等，用于还原溶解氧(DO)，去除水中溶解氧;脱气膜是比较先进的工艺，脱气效果也比较好，通过憎水纤维膜将液相和气相分开，在气相抽真空，使得气体被去除，液相中的气体就会扩散到气相中，从而达到去除溶解性气体的作用。

脱气膜内装有大量的中空纤维，纤维的壁上有微小的孔，水分子不能通过这种小孔，而气体分子却能够穿过。工作时，水流在一定的压力下从中空纤维的里面通过，而中空纤维的外面在真空泵的作用下将气体不断的抽走，并形成一定的负压，这样水中的气体就不断从水中经中空纤维向外溢出，从而达到去除水中气体的目的，脱气膜中装有大量的中空纤维可以扩大气液界面的面积，从而使脱气速度加快。国内已有最新研****的具有高效脱除率的脱气膜产品，膜脱气装置的，,出水二氧化碳浓度可小于1ppm，低浓度氨水的可小于2ppb也能到达5ppm。可广泛用于电子、锅炉补给水系统和氨氮废水的处理。

行业的不同，对于溶解性气体的要求也不一样，对于半导体行业的溶解性气体，我国国标对于电子水的规定中没有这些指标，但是近年的半导体行业，对于溶解氧(DO)的要求甚至严格到小于1ppb，所以去除水中的溶解氧是技术难点，在去除的同时，还要保证隔绝空气，对于容器和管道的气密性要求非常严格。通常半导体工业超纯水深度脱气是通过多级脱气膜联合运行，才能达到这一要求，且对脱气膜的性能要求也特别高。

对于超纯水的出水水质控制，除了上述的要求，还有出水温度，出水压力等要求。由于最终要求的超纯水要求特别严格，所以超纯水制造工艺中，除了各种处理工艺，对于设备的材质要求也很高，不合适的材质可能导致杂质溶出，造成二次污染，目前超纯水的过流材料一般是PVDF，PTFE，PFA等材质的特别稳定的高分子合成材料。

芯片行业超纯水工艺参考设计图如下：