超纯水系统在电子行业的应用

在当今高度依赖电子产品的世界中，半导体芯片已成为推动科技进步的核心力量。然而，在这些微小芯片的制造过程中，一个看似平凡的元素却扮演着至关重要的角色 - 水。但并非普通的水，而是经过严格处理的超纯水。

超纯水是半导体制造中不可或缺的工艺用水。它主要用于各个制程前后的湿法清洗，以去除可能影响产品良率的污染物，如金属离子、有机物、细菌微生物、颗粒物、硅和溶解气体。根据不同的制程，超纯水需要达到极高的纯度标准。例如，对于40nm以下的集成电路制程，溶解氧指标通常要求在1ppb以下。

然而，超纯水的制备并非易事。它需要经过多道复杂的工艺流程，包括预处理、制成段和抛光段。在预处理阶段，需要去除水中的悬浮物、有机物和硬度等杂质。制成段则主要通过连续电除盐（EDI）等技术进一步提高水质。最后，在抛光段，需要通过TOC-UV、抛光混床等工艺去除残留的微量杂质。

在这个过程中，溶解气体的控制尤为关键。以溶解氧为例，它可能导致硅晶圆热氧化和铜互连的氧化腐蚀，直接影响芯片的性能和可靠性。因此，超纯水系统必须具备高效的脱氧能力。3M公司开发的Liqui-Cel膜接触器技术在这方面发挥了重要作用。

Liqui-Cel膜接触器采用疏水聚丙烯材料建造，具有特殊的干拉状膜孔，平均孔径仅为30nm。这种设计使得膜孔只能允许气体自由穿过，而水分子无法通过。通过控制与液体接触的气相分压，可以实现对溶解气体的有效控制。在半导体超纯水生产工艺中，Liqui-Cel膜接触器通常被用于两个关键位置：制成段的第一级脱氧和抛光段的二级脱氧。

在制成段，Liqui-Cel膜接触器可以将水中的溶解氧从饱和水平降低到30ppb甚至10ppb以内。而在抛光段，它则需要将残余的极少量溶氧进一步降低到3ppb或1ppb以下。为了达到如此高的脱氧效率，通常需要多级膜组串联，有时甚至需要三级串联才能实现99.5%以上的脱除效率。

除了脱氧，Liqui-Cel膜接触器还可以用于脱除二氧化碳。在某些情况下，超纯水中过量的二氧化碳可能导致EDI出水电阻不稳定，影响硅和硼的去除率。通过在预处理阶段安装Liqui-Cel膜接触器，可以有效替代传统的加碱或脱碳塔工艺，减少系统投资成本和运行能耗。

值得注意的是，超纯水系统不仅要能够去除不需要的气体，有时还需要向水中添加特定的气体，以满足某些半导体机台的特殊需求。例如，通过向超纯水中添加氮气或氢气，可以提高超声波清洗的效率，去除纳米级颗粒。这种经过特殊处理的超纯水被称为“机能水”。

随着半导体技术的不断进步，对超纯水的要求也在不断提高。未来，超纯水系统将继续面临新的挑战，如如何满足更先进的制程需求，如何进一步提高能源效率，以及如何更好地应对环境可持续性要求。可以预见，像Liqui-Cel膜接触器这样的创新技术将在这一领域发挥越来越重要的作用，推动半导体制造技术的持续发展。