前不久,美國總統(tǒng)拜登簽署了《2022芯片與科學(xué)法案》,不僅加大投入試圖提升美國的芯片技術(shù)研發(fā)和制造能力,同時還設(shè)置“中國護(hù)欄”條款,試圖逼迫芯片企業(yè)選邊站隊(duì),限制企業(yè)在中國芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。事實(shí)上,中國芯片產(chǎn)業(yè)被卡脖子由來已久,原料、技術(shù)、供應(yīng)鏈等方方面面深受外國掣肘,甚至是我們最常見的“水”。
耗水的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)
半導(dǎo)體行業(yè)是一個非常耗水資源的行業(yè)，一塊2g重的芯片,大概需要耗水32kg，一張12寸的硅片,需要耗水8噸，許多半導(dǎo)體行業(yè)的企業(yè)，如臺積電，一天要用掉15萬噸水,英特爾，一年要用掉3400萬噸水,等于每年吸干2.5個西湖。一個大型Fab工廠，在半導(dǎo)體制造過程中每天需使用5～6萬噸水，接近一個百萬人口城市每天的用水量，這也是為什么在環(huán)保要求苛刻的歐洲，至今沒有規(guī)模化的半導(dǎo)體制程工廠的原因。
水在半導(dǎo)體制程工藝中，主要用在清洗工藝中，占總用水量的75%，其他作用還包括，冷凝塔用水，廢棄處理用水。
清洗是半導(dǎo)體制造過程中使用最多的工藝步驟之一。據(jù)估計(jì)，大概有30% 的工藝步驟是為了清洗硅片或做硅片表面準(zhǔn)備。
什么是半導(dǎo)體超純水
半導(dǎo)體所用的水是潔凈度超高的“超純水”。當(dāng)然,這里的水指的并不是我們?nèi)粘Ｉ钪械淖詠硭?而是“超純水”。
超純水是指電阻率達(dá)到18 MΩ*cm(25℃)的水。這種水中除了水分子外,幾乎沒有什么雜質(zhì),更沒有細(xì)菌、病毒、含氯二噁英等有機(jī)物,也沒有人體所需的礦物質(zhì)微量元素,也就是幾乎去除氧和氫以外所有原子的水。
我們拿醫(yī)用純水來對比了解一下半導(dǎo)體級超純水標(biāo)準(zhǔn)有多嚴(yán)苛：
如何制備半導(dǎo)體純水
半導(dǎo)體制程猶如一只“水老虎”,無論是光刻熏蒸,曝光顯影,高溫擴(kuò)散還是濕法刻蝕,都需要消耗大量的超純水。超純水的制備，需要濾除的，除了會造成硅片表面缺陷的微小固體顆粒物，還有金屬離子、氣泡和細(xì)菌有機(jī)物三大類污染物。
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| 金屬離子 影響器件的閾 值電壓 | 氣泡 干擾硅片的氧 化覆膜 | 細(xì)菌有機(jī)物 引起PN結(jié)短路 漏電 |
簡單來說，半導(dǎo)體工廠制備超純水就是先把自來水制成純水，再將純水制成超純水
過濾首先濾除的是固體顆粒、懸浮物和膠體，使用多介質(zhì)過濾器和超濾設(shè)備將這些雜質(zhì)去除，同時加入活性炭過濾器，吸附有機(jī)物， 用亞硫酸氫鈉，去除游離氯等氧化性物質(zhì)。
完成初步過濾后，還要進(jìn)行2次反滲透過濾，進(jìn)行脫鹽，以去除水中各種無機(jī)鹽 ，以及逃出的有機(jī)物和微生物。至此，預(yù)處理完成。
在預(yù)處理之后，進(jìn)入主處理階段。此階段除了前面的過濾和逆滲透壓，還包括紫外燈照射滅菌，和氧化分解有機(jī)物，進(jìn)一步降低水體中的有機(jī)碳成分 。同時還需要連續(xù)電解除鹽技術(shù)，來解決水中剩余的陰陽離子。最后用真空除氣機(jī)，和去 除水中的各類溶解氣體。到這里，自來水已經(jīng)變成了純水，暫時儲存在充滿氮?dú)獾募兯拗校?br />
從純水到超純水，需要進(jìn)行“水拋光”處理，簡單來說就是重復(fù)前面2步的操作，把之前使用過的各類凈水裝置繼承到一個密閉的管道系統(tǒng)中，讓純水在改系統(tǒng)中高速循環(huán)，在使用點(diǎn)設(shè)置閥門，需要使用時即可取出。
制備超純水過濾解決方案
基于半導(dǎo)體超純水對芯片生產(chǎn)的重要程度且需求量之大，在在制備半導(dǎo)體級超純水時如何選擇過濾材料，成為廠家非常關(guān)心的問題。
預(yù)處理：微濾過濾工藝標(biāo)準(zhǔn)。微濾能截留0.1～1微米之間的顆粒，微濾膜允許大分子有機(jī)物和無機(jī)鹽等通過，但能阻擋住懸浮物、細(xì)菌、部分病毒及大尺度的膠體的透過。其最主要的器材是微濾膜。一般凈水器的第一級PP棉濾芯，精度都為5μm。
HF系列——大流量折疊濾芯
HF系列大流量濾芯采用深層精細(xì)聚丙烯纖維膜為主過濾層，擁有6"大直徑，單向開口由內(nèi)到外的液體流向，保證顆粒物攔截在濾芯內(nèi)部，超大流量的設(shè)計(jì)，減少濾芯和過濾器的使用量，節(jié)約了設(shè)備投入成本，適應(yīng)超純水預(yù)過濾需求。
主處理：超濾標(biāo)準(zhǔn)過濾工藝。超濾微孔為0.01微米，能濾除水中的細(xì)菌、鐵銹、膠體等有害物質(zhì)，同時配合水系脫氣模組，濾除水中的O2和CO2氣泡。
SAA系列——折疊濾芯
SAA系列折疊濾芯針對高流量要求使用場合。高度非對稱的PS濾膜結(jié)構(gòu)為濾芯提供了高流量、高納污量和穩(wěn)定的截留效率，實(shí)驗(yàn)證明，SAA系列濾芯壽命遠(yuǎn)大于普通PS產(chǎn)品，大大降低了濾芯更換周期。
精制處理：納濾精度過濾工藝標(biāo)準(zhǔn)。納濾是一種介于反滲透和超濾之間的壓力驅(qū)動膜分離過程，納濾膜的孔徑范圍在幾個納米左右。納濾膜大多從反滲透膜衍化而來，是膜分離技術(shù)的一種新興領(lǐng)域，其分離性能介于反滲透和超濾之間，允許一些無機(jī)鹽和某些溶劑透過膜，從而達(dá)到分離的效果。
SAB系列——高精度折疊濾芯
SAB高精度系列折疊濾芯，選用高精度PES濾膜結(jié)構(gòu)在保證高流量、高納污量的同時提供很高的截留效率，HDPE骨架具有良好的化學(xué)兼容性及低金屬殘留。
脫氣模組——大流量折疊濾芯
水體系中的脫氣膜組件采用Darlly的超疏水改性PP制成的中空纖維膜結(jié)構(gòu)，可進(jìn)行PPB級別的脫氣要求，也可極限脫除，具有高通量，高脫氣效率的特點(diǎn)，在超純水中去除O2和CO2有著廣泛的應(yīng)用。
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