半導(dǎo)體行業(yè)生產(chǎn)用水中的微顆粒物與硅的危害及去除工藝

微顆粒物的危害

微顆粒物的概念：微顆粒物指的是水中懸浮的、尺寸極小的固體顆粒，通常是硅化物、金屬氧化物或有機(jī)物。

微顆粒物的危害：

1. 物理性破壞——導(dǎo)致短路或斷路

一顆直徑僅為0.1微米（100納米）的顆粒，對(duì)于一個(gè)線寬僅幾十納米的晶體管來(lái)說(shuō)，就像一座小山。如果在光刻環(huán)節(jié)落在硅片上，它會(huì)遮擋光線，導(dǎo)致圖形缺陷（如短路或斷路）。

在芯片制造中，有成千上萬(wàn)個(gè)這樣的晶體管和電路。即使一顆微粒落在關(guān)鍵區(qū)域，也會(huì)導(dǎo)致整個(gè)芯片或部分功能失效。這直接降低了良率。

2. 干擾光刻工藝

現(xiàn)代光刻使用波長(zhǎng)極短的光源（如DUV和EUV）。晶圓表面的微粒會(huì)造成光的散射和衍射，使投影到光刻膠上的圖形失真、模糊或出現(xiàn)缺口，從而制造出不合格的電路。

3. 污染源和成核點(diǎn)

顆粒物本身可能含有金屬離子等污染物，會(huì)成為后續(xù)工藝的污染源。

在高溫工藝（如退火、薄膜沉積）中，顆粒物可能成為不必要的成核中心，導(dǎo)致薄膜生長(zhǎng)不均勻，產(chǎn)生應(yīng)力缺陷。

半導(dǎo)體行業(yè)用水標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)微顆粒物的要求

在美國(guó)電子級(jí)用水標(biāo)準(zhǔn)ASTM D5127-13（2018） Type E-1.3 中微顆粒物（＞0.05微米）＜500個(gè)/L

在中國(guó)電子級(jí)水標(biāo)準(zhǔn)GB/T11446.1—2013 EW-I 中微顆粒物（0.05μm~0.1μm）＜500個(gè)/L、微顆粒物（0.1μm~0.2μm）＜300個(gè)/L、微顆粒物（0.2μm~0.3μm）＜50個(gè)/L、微顆粒物（0.3μm~0.5μm）＜20個(gè)/L、微顆粒物（＞0.5微米）＜4個(gè)/L

硅是芯片的基底，也是致命的污染物

這是最根本的原因，一種“成也蕭何，敗也蕭何”的關(guān)系。

芯片的“地基”：絕大多數(shù)半導(dǎo)體芯片是制作在硅晶圓（Silicon Wafer） 上的。晶圓本身是高純度的單晶硅。我們希望在晶圓上通過(guò)精確的工藝，生長(zhǎng)出所需的二氧化硅層（SiO?，作為絕緣層）或沉積其他材料。

不受控的硅是“敵人”：如果外來(lái)的、不受控制的硅（來(lái)自水中）污染了晶圓表面，它就會(huì)與原本設(shè)計(jì)好的精密工藝發(fā)生沖突。它不再是“地基”，而是“雜草”，會(huì)破壞計(jì)劃的電路結(jié)構(gòu)。

類比：這就像你要在一塊純凈的大理石（硅晶圓）上雕刻一件精美的藝術(shù)品（芯片電路）。你希望按照自己的設(shè)計(jì)來(lái)雕刻。但如果空氣中飄散著大理石粉末（水中的硅污染），它們會(huì)不受控制地落在你的刻線上，徹底破壞你的作品。

可溶性硅的獨(dú)特危害：形成難以去除的“玻璃狀”硬垢

可溶性硅（主要以硅酸H?SiO?形式存在）在水中是看不見(jiàn)的，但其危害性極大且隱蔽。

1. 蒸發(fā)析出與聚合

在用超純水清洗晶圓后，晶圓表面會(huì)進(jìn)行干燥。水分蒸發(fā)時(shí)，水中的可溶性硅會(huì)被濃縮，發(fā)生聚合反應(yīng)，從可溶性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴蝗苄缘亩趸瑁⊿iO?），并牢固地附著在晶圓表面。

2. 頑固的污垢

這種原位生成的SiO?薄膜非常致密、堅(jiān)硬且化學(xué)惰性。常規(guī)的半導(dǎo)體清洗液（如SC1：氨水+雙氧水）都難以將其完全去除。

3. 破壞核心結(jié)構(gòu)

柵極氧化層（Gate Oxide）：這是晶體管的心臟，如今只有幾個(gè)原子層的厚度。如果在生長(zhǎng)這層高質(zhì)量的SiO?之前，表面就有雜質(zhì)硅垢，會(huì)導(dǎo)致氧化層厚度不均、產(chǎn)生針孔缺陷，造成柵極漏電，使器件性能下降甚至失效。

影響薄膜沉積：硅垢會(huì)成為異質(zhì)成核點(diǎn)，導(dǎo)致后續(xù)沉積的多晶硅、金屬、介質(zhì)層等薄膜不均勻，產(chǎn)生應(yīng)力、龜裂或附著力問(wèn)題。

膠體硅（顆粒硅）的物理性危害：納米尺度的“隕石”

膠體硅是微小的不溶性SiO?顆粒，懸浮在水中。它的危害是物理性的。

1. 尺度災(zāi)難

現(xiàn)代芯片工藝進(jìn)入納米級(jí)別（如3nm、5nm）。一顆尺寸為0.1微米（100納米） 的膠體硅顆粒，對(duì)于一條僅幾十納米寬的電路線來(lái)說(shuō)，無(wú)異于一顆巨大的“隕石”。

2. 直接破壞圖形

光刻（Lithography）：如果顆粒落在光刻膠上，會(huì)遮擋曝光光線，導(dǎo)致投影到晶圓上的電路圖形出現(xiàn)缺損、短路或斷路。

3. 缺陷與良率

這樣的一顆顆粒落在關(guān)鍵區(qū)域，就足以讓一個(gè)價(jià)值不菲的芯片直接報(bào)廢，直接沖擊生產(chǎn)良率（Yield）。

半導(dǎo)體行業(yè)用水標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)硅的要求

在美國(guó)電子級(jí)用水標(biāo)準(zhǔn)ASTM D5127-13（2018） Type E-1.3 中硅：＜0.5ppb

在中國(guó)電子級(jí)水標(biāo)準(zhǔn)GB/T11446.1—2013 EW-I 中全硅：≤2ppb

在半導(dǎo)體行業(yè)生產(chǎn)用水中，純水系統(tǒng)對(duì)微顆粒物和硅的去除工藝

階段一：預(yù)處理 - 粗過(guò)濾與保護(hù)

此階段目標(biāo)是減輕后續(xù)核心單元的處理負(fù)荷，特別是去除膠體硅和較大顆粒物。

1. 多介質(zhì)過(guò)濾器 (Multi-Media Filter)：

作用：通過(guò)不同粒徑的石英砂、無(wú)煙煤等介質(zhì)，依靠機(jī)械截留作用去除水中的懸浮物、泥沙和較大顆粒的膠體硅。

2. 超濾 (UF - Ultrafiltration)：

作用：這是去除膠體硅、細(xì)菌、大分子有機(jī)物和絕大多數(shù)微顆粒物的核心屏障之一。UF膜的孔徑在0.01-0.1μm（10-100納米）級(jí)別，能有效截留絕大部分膠體物質(zhì)。

重要性：保護(hù)下游的反滲透（RO）膜不被污染和堵塞。

3. 保安過(guò)濾器 (Cartridge Filter)：

作用：通常采用5μm或1μm的濾芯，作為RO系統(tǒng)前的最后一道保險(xiǎn)，防止任何意外的大顆粒物進(jìn)入并損傷精密且昂貴的RO膜高壓泵和膜元件。

階段二：主除鹽 - 深度純化的核心

此階段是去除可溶性離子（包括可溶性硅） 的絕對(duì)主力。

1. 反滲透 (RO - Reverse Osmosis)：

作用：這是整個(gè)系統(tǒng)去除可溶性硅的“第一道核心關(guān)口”。RO膜通過(guò)高壓使水分子透過(guò)致密的半透膜，而＞99% 的溶解鹽分（包括硅酸根離子）、有機(jī)物和微顆粒物被截留并排出。

效率：一套設(shè)計(jì)良好的RO系統(tǒng)可以去除97%-99% 的可溶性硅，將其從進(jìn)水中的ppm級(jí)別降至ppb級(jí)別。

2. 電去離子 (EDI - Electrodeionization)：

作用：將電滲析和離子交換技術(shù)結(jié)合。在直流電場(chǎng)作用下，水中的離子（包括殘余的硅酸根離子SiO?²?）定向遷移并通過(guò)離子交換膜被去除。

優(yōu)勢(shì)：可以連續(xù)運(yùn)行、無(wú)需化學(xué)再生，能穩(wěn)定地將硅含量控制在極低水平（< 1 ppb），是RO和后續(xù)拋光混床之間的完美橋梁。

階段三：后處理（拋光） - 終極凈化

即使經(jīng)過(guò)RO和EDI，水質(zhì)仍可能無(wú)法滿足半導(dǎo)體級(jí)的極端要求，需要最終的精加工或“拋光”。

1. 紫外線燈 (UV - Ultraviolet)：

作用：主要使用185nm波長(zhǎng)的UV燈，不僅能殺滅細(xì)菌，更能高效分解水中的微量TOC（總有機(jī)碳），防止細(xì)菌尸體和有機(jī)物成為顆粒物污染源。

2. 拋光混床 (Polishing Mixed Bed)：

作用：將H?型陽(yáng)樹(shù)脂和OH?型陰樹(shù)脂混合在一個(gè)容器中，進(jìn)行終極的離子交換。這是確保出水電阻率達(dá)到18.2 MΩ·cm（25°C）絕對(duì)理論值、并將可溶性硅含量降至0.01 ppb級(jí)的最終保障。

3. 終端超濾 (Point-of-Use UF)：

作用：這是去除納米級(jí)顆粒物（包括殘余的膠體硅）的“最后一道防線”。使用孔徑極小的濾膜（0.1μm 或甚至 0.05μm），安裝在最靠近用水點(diǎn)的位置，確保最終產(chǎn)水中大于目標(biāo)尺寸的顆粒數(shù)趨近于零。

系統(tǒng)保障：防止二次污染

擁有先進(jìn)工藝單元還不夠，系統(tǒng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

循環(huán)管路：超純水必須24小時(shí)連續(xù)循環(huán)，保持湍流狀態(tài)，防止死水滋生微生物和顆粒脫落。

管路材質(zhì)：全部使用高光滑度的PVDF（聚偏二氟乙烯） 或低碳不銹鋼，確保管道本身不腐蝕、不脫落顆粒。

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)：系統(tǒng)配備在線儀表，連續(xù)檢測(cè)水中的顆粒數(shù)（Particle Count）、TOC、電阻率和硅含量，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警。