半導體業超純水應用指南

本簡報為半導體製造工程師與技術人員提供全面的超純水系統應用指南，
涵蓋從基礎原理到高級應用的各個方面。我們將深入探討水質標準、處理技術、監控系統，
協助您了解超純水的特性及應用並優化生產流程，提高產品良率。

1. 什麼是超純水？

超純水，又稱為去離子水 (Deionized Water, DI Water) 或高純水 (Pure Water)，是指經過嚴格處理，幾乎不含任何雜質（包括離子、有機物、懸浮物、微生物等）的水。在製造過程中，會將水中溶解的各種離子（如鈉離子 Na⁺、鈣離子 Ca²⁺、氯離子 Cl⁻、硫酸根離子 SO₄²⁻ 等）以及其他污染物幾乎完全去除。

2. 超純水的定義與水質標準

超純水的定義是基於其極低的導電度（或極高的電阻率）以及極低的總溶解固體 (Total Dissolved Solids, TDS) 含量。

• 國際標準值： 國際上有多種標準，其中以半導體產業最常參考的是 SEMI (半導體設備及材料國際協會) 的標準。

• 水質標準：

  • 電阻率 (Resistivity)： 這是衡量超純水純度的關鍵指標。理想狀態下，純水的電阻率在 25°C 時應為 18.2 MΩ·cm (Megaohm-centimeter)。半導體級別的超純水通常要求達到 18 MΩ·cm 或 17.5 MΩ·cm 以上。電阻率越高，表示水中離子含量越低。

  • 總溶解固體 (TDS)： 超純水的 TDS 含量通常低於 0.1 ppm (parts per million)，甚至達到 ppb (parts per billion) 等級。

  • 導電度 (Conductivity)： 與電阻率相反，導電度越低代表水越純。超純水的導電度應小於 0.055 μS/cm (microSiemens per centimeter)，接近理論值 0.055 μS/cm。

  • 微生物 (Microorganisms)： 嚴格控制在極低的數量，通常以 CFU/mL (Colony Forming Units per milliliter) 表示。

  • 可溶性有機碳 (Total Organic Carbon, TOC)： 需控制在 ppb 等級。

  • 其他離子： 如金屬離子（Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ 等）、陰離子（Cl⁻, SO₄²⁻, F⁻ 等）的含量也需控制在 ppt (parts per trillion) 或 ppb 等級。

3. 超純水的用途

超純水在各行各業都有應用，但其最高純度要求主要集中在 半導體產業。

半導體產業應用

在半導體製造過程中，水是不可或缺的媒介，但即便是自來水或一般過濾水中的微量雜質，也可能對極度精密的半導體元件造成嚴重的污染，導致良率下降甚至產品失效。超純水的應用極為廣泛，主要包括：

• 晶圓清洗 (Wafer Cleaning)： 這是超純水最核心的應用。在晶圓製造的每一個關鍵步驟之間，都需要進行清洗，以去除製程中產生的微粒、有機物、金屬離子及化學殘留物。若使用非超純水，這些污染物會附著在晶圓表面，影響後續製程的均勻性與元件的電氣特性。

• 光刻製程 (Photolithography)： 在光刻製程中，超純水用於清洗光罩 (mask) 及晶圓，確保影像轉移的精準度。同時，某些顯影液或稀釋劑也會使用超純水配製。

• 化學機械拋光 (Chemical Mechanical Planarization, CMP)： CMP 製程中，超純水用於配製 CMP 漿料，或作為 CMP 後的清洗用水，去除晶圓表面的拋光殘渣與污染物。

• 蝕刻液配製 (Etching Solution Preparation)： 蝕刻製程中使用到的各種強酸、強鹼或特殊蝕刻液，都需要使用超純水進行精確稀釋配製。微量雜質的引入會影響蝕刻速率、均勻性與選擇性。

• 蝕刻後漂洗 (Post-Etch Rinsing)： 蝕刻完成後，必須徹底清洗殘留的蝕刻液和反應副產物。超純水是理想的漂洗用水，能有效去除污染物而不引入新雜質。

• 其他應用：

  • 薄膜沉積 (Thin Film Deposition)： 在某些物理氣相沉積 (PVD) 或化學氣相沉積 (CVD) 前後，可能需要超純水進行清洗。

  • 離子佈植 (Ion Implantation)： 佈植後清洗。

  • 熱處理 (Thermal Treatment)： 某些熱處理製程前後的清洗。

其餘產業補充:

雖然半導體產業對超純水的需求量與嚴苛程度首屈一指，但超純水在其他高科技及精密製造領域同樣扮演著不可或缺的關鍵角色。以下將簡要介紹其在其他主要產業的應用:

• 製藥業： 作為藥品生產的溶劑、清洗用水，確保藥品的純淨度與安全性。

• 食品飲料業： 用於飲用水、飲料生產、食品加工過程，提升產品品質與衛生標準。

• 電子業（非半導體）： 如印刷電路板 (PCB) 製造、LCD/OLED 面板製造等，也需要不同等級的超純水。

• 實驗室： 科學研究、化學分析、生物實驗等，需要高純度的水作為試劑或清洗用途。

• 發電廠： 鍋爐給水，防止鍋爐結垢與腐蝕。

4. 超純水系統架構概述

一個典型的半導體級超純水系統是一個複雜的多級處理流程，旨在逐步去除水中的各類污染物，最終達到所需的超高純度。其架構通常包含以下幾個主要單元：

系統架構詳解

• 前處理系統 (Pre-treatment System)：

  • 進水： 通常是市政自來水或井水。

  • 目的： 去除原水中較大的顆粒物、懸浮物、餘氯、硬度離子及部分有機物，保護後續精密設備。

  • 設備組成：

    • 砂濾/多介質濾芯 (Sand Filter/Multimedia Filter)： 去除大顆粒懸浮物。

    • 活性碳濾芯 (Activated Carbon Filter)： 吸附餘氯、有機物、異味。

    • 離子交換樹脂 (Ion Exchange Resin)： 軟水器，去除鈣、鎂等硬度離子，防止後續設備結垢。

    • 精密過濾器 (Cartridge Filter)： 進一步去除細小顆粒物，保護 RO 膜。

• 超濾 (Ultrafiltration, UF)：

  • 目的： 去除水中較大的分子，如膠體、蛋白質、細菌、病毒等，特別是能夠有效去除微粒，保護 RO 膜。

  • 原理： 利用壓力差，使水通過孔徑範圍約在 0.001∼0.1 微米的濾膜，截留大分子物質。

• 納濾 (Nanofiltration, NF)：

  • 目的： 是一種介於反滲透和超濾之間的膜分離技術，能夠去除大部分的二價離子（如 Ca²⁺, Mg²⁺, SO₄²⁻）、部分有機物，同時保留一價離子（如 Na⁺, Cl⁻）。在某些系統中，它可作為 RO 的預處理，降低 RO 膜的負荷。

• 反滲透 (Reverse Osmosis, RO)：

  • 目的： 是超純水系統中最核心的脫鹽（去離子）和去除大分子有機物的單元。

  • 原理： 利用壓力差，使水分子通過半透膜，而絕大多數離子、鹽類、大分子有機物和微生物則被截留。RO 系統通常能去除 95%∼99% 的溶解性鹽類。

  • 架構： 通常會設計一級 RO 和二級 RO (RO/RO) 來達到更高的脫鹽率。

• 拋光樹脂 (Polishing Resin) 或 電去離子 (Electrodeionization, EDI)：

  • 目的： 這是為了達到 18 MΩ·cm 這種極高的純度要求，進一步去除 RO 後殘留的微量離子和離子化有機物。

  • 拋光樹脂：

    • 原理： 使用特殊的離子交換樹脂，對水中殘留的陽離子和陰離子進行吸附，使水質達到超純水的標準。通常會設計陽樹脂、陰樹脂或混合床樹脂。

    • 特點： 效果顯著，是達到 18 MΩ·cm 的關鍵。但樹脂需要定期再生或更換。

  • 電去離子 (EDI)：

    • 原理： 結合離子交換樹脂、離子交換膜和直流電場。在電場作用下，離子被定向遷移，通過離子交換膜進入濃縮流道被排出，而純水則留在純水流道。

    • 特點： 能夠連續生產高純水，無需化學再生，運行成本相對較低，環保。適合大流量、連續生產的場景。

• 超純水水質監控 (Ultrapure Water Quality Monitoring)：

  • 重要性： 在超純水系統的各個關鍵節點，持續、準確的水質監控是確保最終產水品質、指導系統運行和維護的關鍵。

  • 監控參數與設備：

    • 電導率/電阻率儀 (Conductivity/Resistivity Meter)：

      • 用途： 這是最常用的即時水質監控指標。在系統入口、RO 出口、EDI/拋光樹脂出口、最終Distribution 系統出口等處都需設置。

      • 精度要求： 對於超純水段，儀器精度要求極高，需能測量到 0.055μS/cm 或 18.2 MΩ·cm。

    • 總有機碳分析儀 (Total Organic Carbon, TOC Analyzer)：

      • 用途： 監測水中溶解的有機物含量。有機物容易吸附在晶圓表面，影響元件性能。

      • 測量範圍： 通常需測量到 ppb 等級。

    • 微粒計數器 (Particle Counter)：

      • 用途： 實時監測水中懸浮微粒的數量和大小。對半導體製程尤其關鍵。

      • 測量粒徑： 需能檢測到 0.01μm 或更小的顆粒。

    • 微生物監測 (Microbial Monitoring)：

      • 用途： 定期或在線監測水中微生物的數量，對防止生物污染至關重要。

      • 方法： 可採用在線生物傳感器或離線取樣分析。

    • 其他參數： 根據具體需求，可能還會監測溶解氧 (DO)、pH 值、餘氯（前處理段）等。

  • 監控佈局： 監控點應設置在前處理、RO 出口、EDI/拋光樹脂出口、儲水桶、Distribution 系統各分支點及用戶端，形成全方位的監控網絡

5.結論

在追求極致製程精準度與產物良率的半導體產業中，超純水扮演著至關重要的角色，其品質直接影響著晶圓製造的各個環節。本白皮書深入探討了超純水的定義、國際標準、以及其在半導體製程中的多樣化應用，從關鍵的晶圓清洗、光刻、CMP（化學機械研磨），到蝕刻液配製與漂洗，無一不彰顯出超純水不可或缺的地位。

為滿足半導體業嚴苛的水質要求，一套完善的超純水系統架構是必要的。這通常涵蓋了從初步的前處理，到精密的超濾（UF）、納濾（NF）、逆滲透（RO），再到最終的離子交換樹脂或電去離子（EDI）技術，旨在逐層去除水中的離子、有機物、微粒等雜質。此外，持續且精準的水質監控是確保超純水系統穩定運行的關鍵，透過多種感測器與分析儀器，實時監測電阻率、TOC（總有機碳）、微粒數等指標，以確保出水水質始終符合標準。
 

雖然半導體業是超純水最大的應用領域，但其卓越的純淨度也為其他產業帶來了顯著效益。例如，在製藥工業中，超純水是生產高純度藥物、無菌製劑及進行精密實驗的基礎；在電子元件製造業，用於清洗印刷電路板（PCB）及其他精密組件；甚至在高科技的光學鏡片製造、生物科技研究、以及實驗室分析等領域，超純水都是不可或缺的關鍵介質。

總而言之，半導體產業對超純水的高標準需求，推動了超純水處理技術的不斷進步。隨著半導體製程的持續微縮與複雜化，對超純水的要求將更加嚴苛，這也意味著超純水系統設備的技術創新與升級將持續進行，以支持半導體產業的永續發展與技術突破。