超纯水在半导体领域的应用

超纯水在半导体领域的应用

超纯水（UPW）是半导体晶圆厂中使用最广泛的材料之一，每平方厘米硅晶圆通常需要 10-20 升超纯水。超纯水系统是复杂的多阶段水纯化系统，通过去除颗粒、离子、有机物、溶解气体和微生物，使水质达到亚 ppb（十亿分之一）和亚 ppt（万亿分之一）级别的标准。

需要注意的是，超纯水有不同的分类，每种类型的超纯水根据晶圆制造过程中晶体管电路的线宽，适用于特定工艺。以下是半导体行业中常用的超纯水系统分类示例：

1. 水源供应

市政供水或过滤后的地下水进入超纯水系统。初始处理阶段需去除大颗粒、氯和硬度物质，目的是保护下游的膜和树脂免受污染堵塞。

2. 预处理阶段

• 多介质过滤：去除沙子、淤泥和尺寸 > 5 微米（μm）的颗粒；
• 活性炭过滤：去除氯、氯胺和有机物；
• 软水器或阻垢剂投加：控制钙、镁结垢；
• pH 值调节（可选）：提高膜的过滤效率。
  
  

3. 初级纯化

（反渗透，RO）
高压反渗透膜可去除 95%-99% 的以下物质：

• 溶解离子
• 二氧化硅
• 有机分子
• 细菌和病毒
  
  

通常采用双级反渗透配置，以实现更好的脱盐效果。反渗透处理后，目标电导率需 < 10 微西门子 / 厘米（μS/cm）。

4. 电去离子（EDI）

通过以下组件持续去除残留离子：

• 离子交换膜
• 电流
  
  

可生产电阻率 > 16 兆欧・厘米（MΩ・cm）的水，替代传统的混合床树脂系统，减少化学药剂的使用。

推荐监测点

5. 紫外线氧化（185 纳米（nm）和 254 纳米（nm））

• 185 纳米（nm）紫外线：将总有机碳（TOC）分解为二氧化碳（CO₂）和水；
• 254 纳米（nm）紫外线：通过破坏微生物 DNA 实现微生物控制。

6. 脱气（膜接触器或真空脱气塔）

去除二氧化碳（CO₂）、氧气（O₂）、氮气（N₂）等溶解气体，这些气体可能导致以下问题：

• 影响电阻率；
• 加速腐蚀；
• 干扰光刻工艺。
  
  

脱气对于实现 > 18.18 兆欧・厘米（MΩ・cm）的电阻率和 < 1 ppb（十亿分之一）的溶解氧（DO）水平至关重要。

7. 混合床离子交换（精制）

• 去除电去离子（EDI）和紫外线（UV）处理后残留的微量离子；
• 通常采用并联系统配置，确保连续运行；
• 目标：在 25°C 条件下，最终电阻率达到 18.2 兆欧・厘米（MΩ・cm）。

8. 超滤（UF）

去除胶体、大分子物质和尺寸 < 50 纳米（nm）的细小颗粒，对确保亚 20 纳米（nm）颗粒数量符合设备级标准至关重要，同时保持水质清澈，防止晶圆表面产生缺陷。

9. 最终过滤（亚 10 纳米（nm）过滤器）

领先的晶圆厂通常采用额定孔径为 0.05 微米（μm，即 50 纳米（nm））甚至更小的过滤器，以保护设备免受以下物质影响：

• 纳米颗粒；
• 过滤器脱落物；
• 生物膜碎片。

10. 分配与循环回路

分配与循环回路采用聚偏氟乙烯（PVDF）、全氟烷氧基烷烃（PFA）或电解抛光 316L 不锈钢材质，具有以下特点：

• 高流速湍流状态（流速 > 1 米 / 秒（m/s））；
• 倾斜管道设计，防止液体滞留；
• 液体在储罐和使用点之间持续循环。
  
  

循环回路中包含在线监测设备：

• 液体颗粒计数器（LPCs）；
• 电阻率传感器；
• 总有机碳（TOC）分析仪；
• 温度和压力传感器。

11. 使用点（POU）过滤

使用点过滤装置安装在超纯水进入工艺设备（如光刻、蚀刻、化学机械抛光（CMP）设备）之前，通常具备以下配置：

• 额定孔径为 10-20 纳米（nm）的过滤器；
• 液体颗粒计数器（LPCs）。
  
  

为什么过程控制很重要

•颗粒或离子污染造成的缺陷

导致：

•互连中的桥接和短路

•光刻胶损坏

•CMP划痕

•设备可靠性故障

•实时监控和严格控制

实时监控和严格控制的工艺对于≤5 nm节点晶圆厂保持产量和正常运行时间至关重要

为什么要监测50 nm和100 nm的颗粒？ 

在先进的技术节点上，即使是纳米级的颗粒也可以：

•粘附在晶圆表面

•造成致命缺陷（如桥接、开路、漏电）

•损坏栅极结构或光刻图案

•10 nm以下工艺的趋势要求以不断减小的尺寸阈值实时监测颗粒污染。

使用LPC实时颗粒监测系统，可以全天候监测UPW过程，如果UPW过程的任何阶段超出设定限值，可以立即通知过程和质量经理。因此，工厂中的UPW使用可以在每个阶段进行验证，如果任何阶段不符合工艺要求，可以采取行动。该监控系统还可以在产品质量产量方面做出快速决策，从而节省数万美元并保护产品性能。

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