什么是超純水?

超純水（UPW）是除了氫離子與氧離子，幾乎沒有任何其他雜質(zhì)的水。

“超純”強(qiáng)調(diào)了水被處理至所有污染物類型的最高純度，和常用的術(shù)語去離子（DI）水不同，除了常規(guī)的表征電解質(zhì)含量的指標(biāo)（電導(dǎo)率或電阻率）外，根據(jù)應(yīng)用的不同還包括有機(jī)和無機(jī)化合物、溶解和顆粒物質(zhì)、細(xì)菌及溶解氣體等指標(biāo)。

超純水的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域？

電子行業(yè)、太陽能光伏、制藥、發(fā)電、研究實(shí)驗(yàn)室

超純水是電子行業(yè)中常用的術(shù)語，但在其他行業(yè)諸如太陽能光伏，制藥，發(fā)電以及研究實(shí)驗(yàn)室等也被使用到。雖然每個行業(yè)都使用所謂的“超純水”，但質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)各不相同。即使在電子行業(yè)中，不同應(yīng)用諸如半導(dǎo)體、液晶面板及各種電子元器件對超純水的要求也各不相同。其中半導(dǎo)體中代表了“超純水”使用的最高等級，這也是我們在此要討論的內(nèi)容。

半導(dǎo)體超純水的水質(zhì)要求？

國際半導(dǎo)體設(shè)備及材料協(xié)會(International Association of Semiconductor of Equipment and Materials, SEMI) , 其標(biāo)準(zhǔn)最新版本為SEMI F63-0918

國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖(International Technology Roadmap for Semiconductor, ITRS) , 其標(biāo)準(zhǔn)最新版本為2015 ITRS

美國材料與試驗(yàn)協(xié)會（American Society for Testing Materials, ASTM），其標(biāo)準(zhǔn)最新版本為ASTM D5127-13(2018)

以一個中國大陸在建的12寸先進(jìn)制程晶圓廠為例，超純水品質(zhì)要達(dá)到以下苛刻的要求：      

半導(dǎo)體超純水系統(tǒng)是工業(yè)水處理系統(tǒng)中設(shè)計施工最為復(fù)雜，材料選擇最為講究，運(yùn)行控制最為精密的系統(tǒng)，包括了眾多的子系統(tǒng)，功能單元及配套系統(tǒng)，所以半導(dǎo)體超純水的制備過程可以用“千錘百煉”來形容。

業(yè)界有不同的方式將半導(dǎo)體超純水系統(tǒng)細(xì)分成不同的子系統(tǒng)，這里將其細(xì)分為預(yù)處理、除鹽水、純水、循環(huán)拋光及回收五大子系統(tǒng)。

預(yù)處理系統(tǒng)

去除原水中的懸浮固體、濁度、膠體、大分子有機(jī)物等雜質(zhì)及部分細(xì)菌微生物，減輕后續(xù)處理單元的負(fù)荷，保證其穩(wěn)定高效運(yùn)行。

常用的功能單元有多介質(zhì)過濾、超濾、活性炭過濾及軟化等，其中超濾為可代替多介質(zhì)過濾的新技術(shù)，近年來已在一些項目上成功應(yīng)用，與傳統(tǒng)多介質(zhì)過濾相比，具有占地面積小，過濾精度高，出水水質(zhì)穩(wěn)定，自動化程度高等特點(diǎn)。

以杜邦水處理解決方案的超濾膜元件SFP-2880XP為例，它采用杜邦最新的XP超濾膜制造工藝，滲透性提高35%；過濾精度0.03μm，可有效去除懸浮顆粒，膠體，細(xì)菌及病原體，出水濁度始終在0.1NTU之下；單支有效膜面積77平方米，處理水量大，占地面積小。

除鹽水系統(tǒng)

去除絕大多數(shù)的鹽分，有機(jī)物及弱電解質(zhì)硅、硼等。其中有兩種途徑可以實(shí)現(xiàn)，當(dāng)前在半導(dǎo)體超純水系統(tǒng)中最常見的是使用離子交換工藝。

Plan A

在離子交換工藝中，分別使用陽離子交換器交換陽離子，陰離子交換器交換陰離子、有機(jī)物及弱電解質(zhì)硅、硼等。在兩個交換器間根據(jù)水質(zhì)組成可選擇使用脫氣裝置去除溶解CO2， 以降低陰離子交換器的負(fù)荷。

在此單元中，優(yōu)異穩(wěn)定的產(chǎn)水水質(zhì)是最關(guān)鍵的指標(biāo)，同時運(yùn)行成本也非常重要。而滿室床工藝，不論是AMBERPACK還是UPCORE都非常好的與以上兩個目標(biāo)不謀而合，成為半導(dǎo)體超純水中除鹽水子系統(tǒng)的首選。

以使用杜邦水處理解決方案的Amberlite HPR離子交換樹脂的AMBERPACK滿室床為例，出水電導(dǎo)率小于1μs/cm甚至更低，水利用效率大于95%，再生劑耗量相比傳統(tǒng)的逆流再生可節(jié)省15-30%。

Plan B

另一種方式是使用反滲透膜法，具有進(jìn)水鹽分允許范圍寬、占地面積小、模塊化設(shè)計、運(yùn)維自動化程度高等特點(diǎn)。但此應(yīng)用中，要特別注意反滲透對有機(jī)物及特定溶質(zhì)（比如硼）的脫除效率有限的問題，杜邦水處理解決方案推薦使用高脫鹽的反滲透膜來彌補(bǔ)這方面的不足，如FILMTEC ECO系列反滲透膜。

純水系統(tǒng)

在進(jìn)入超純水箱和最終的循環(huán)拋光段前，進(jìn)一步改善水質(zhì)尤其是有機(jī)物、顆粒物及特定溶質(zhì)等指標(biāo)，達(dá)到或基本上接近最終水質(zhì)要求。經(jīng)過本系統(tǒng)后，一般要達(dá)到電阻率大于18 MΩ?cm，TOC在幾個ppb之內(nèi)，硼小于50ppt。

最常見工藝組合是反滲透膜 + 可再生混床 + 脫氣，在這里對反滲透膜和離子交換樹脂的純度要求更高，即本省所溶出或釋放的雜質(zhì)極少，所以反滲透膜一般在使用前要進(jìn)行額外的沖洗處理或直接選用半導(dǎo)體級（SG grade）的反滲透膜，離子交換樹脂也是如此。

杜邦超純水級的可再生陽離子交換樹脂AMBERJET™ UP1400 和陰離子交換樹脂AMBERJET™ UP4000除了具有非常優(yōu)異的常規(guī)性能外，自身的純凈度也非常優(yōu)異，兩者搭配應(yīng)用在半導(dǎo)體超純水再生混床中，新樹脂沖洗很快可以達(dá)到且穩(wěn)定在電阻率大于18 MΩ?cm且TOC小于<2ppb的出水水平。

循環(huán)拋光系統(tǒng)

在用水點(diǎn)之前，使用熱交換、紫外、樹脂凈化、脫氣及精密過濾等手段，達(dá)到最終恒定溫度、恒定壓力、恒定水質(zhì)的目標(biāo)。因?yàn)槌兯男再|(zhì)非常活躍，無法靜態(tài)保存，故在拋光系統(tǒng)中超純水以不斷的凈化循環(huán)的方式來保持其純凈度，故稱之為循環(huán)拋光系統(tǒng)。

而拋光樹脂床猶如一道“防火墻”，樹立起最后的屏障，對超純水起進(jìn)一步精制的作用，以應(yīng)對水質(zhì)短期內(nèi)的細(xì)微波動，滿足終端對電阻率、TOC、硅、硼及單個離子指標(biāo)的恒定要求。

而用在這里的不可再生的拋光混床樹脂，既要具有極高的純凈度，又要具有對痕量離子及污染物很高的選擇能力和去除效果。

杜邦出品的半導(dǎo)體超純水級不可再生的拋光混床樹脂AMBERJET™ UP6040，其自身的TOC及顆粒物釋放極低，同時產(chǎn)水中絕大多數(shù)單個離子可以達(dá)到檢測下限ppt級別，硅和硼的泄露一般也在50ppt以下。

對拋光混床樹脂的使用有一個誤區(qū)，認(rèn)為前序系統(tǒng)處理效果差沒有關(guān)系，最終的拋光混床會解決所有的問題，所以出現(xiàn)的現(xiàn)象是：終端的水質(zhì)不時波動，拋光樹脂壽命縮短，為了保證水質(zhì)，不得不頻繁更換拋光樹脂，甚至使用多級拋光處理。

對此，杜邦水處理解決方案的建議是：

前序單元的運(yùn)行與拋光段一樣重要；滿足一定指標(biāo)的水質(zhì)才能進(jìn)入拋光段；正常情況下拋光處理一級足矣；始終牢記拋光精制混床只是“防火墻”！

對于AMBERJET™ UP6040，推薦的進(jìn)水水質(zhì)為：

電阻率: > 17 MΩ?cm

硅: < 2 ppb

TOC: < 15 ppb

回收系統(tǒng)

通過有效的水管理機(jī)制，合理分類和收集生產(chǎn)過程中比較清潔的水，回收并作為超純水系統(tǒng)的補(bǔ)水循環(huán)利用。

在半導(dǎo)體出現(xiàn)并發(fā)展的幾十年里，從制造工藝中回收沖洗水作為超純水系統(tǒng)補(bǔ)水一直都不被鼓勵，因?yàn)榛瘜W(xué)殘留物和顆粒污染物最終返回到超純水中會導(dǎo)致產(chǎn)品的缺陷。

直到近幾年來，水資源成本的增加以及排放法規(guī)的日益嚴(yán)格迫使生產(chǎn)商不斷增加投入，用于水的回收與處理。

經(jīng)過不斷的摸索，當(dāng)前比較成熟可靠且相對經(jīng)濟(jì)的策略是：

回收非常干凈的后道沖洗水作為超純水系統(tǒng)的補(bǔ)水；

處理中度污染的前道沖洗水及其他用水經(jīng)過合理的處理后降級使用；

收集重度污染水處理后達(dá)標(biāo)排放；

濃縮凈化有價值的化學(xué)藥劑；

其中，超濾、反滲透及離子交換樹脂都是常使用到的處理手段。

杜邦水處理解決方案的超濾、反滲透及離子交換樹脂三大類水處理核心產(chǎn)品，經(jīng)歷了超純水行業(yè)的檢驗(yàn)，在全球范圍內(nèi)獲得了很高的市場占有率和認(rèn)可度，同時憑借尖端的研發(fā)和先進(jìn)的生產(chǎn)，持續(xù)助力半導(dǎo)體乃至整個電子行業(yè)的發(fā)展！上海比利威環(huán)保有限公司是陶氏杜邦的合作伙伴，我們致力推廣和銷售杜邦超濾、反滲透膜及離子交換樹脂。