晶圓廠中的“超純水”，你真的了解嗎？
發(fā)布日期： 2023-12-04 瀏覽人數(shù)：
超純水及溶解氣體應(yīng)用介紹
超純水是微電子行業(yè)的工藝用水，半導(dǎo)體工廠會(huì)大量使用超純水，主要用于各個(gè)制程前后的濕法清洗。超純水中的任何污染物都會(huì)對(duì)產(chǎn)品良率造成影響，例如金屬離子，有機(jī)物，細(xì)菌微生物，顆粒物，硅和溶解氣體，不同的制程對(duì)于超純水的規(guī)范要求如表1所示。
表1，微電子行業(yè)超純水指標(biāo)
對(duì)于超純水中的溶解氣體，溶解氧會(huì)導(dǎo)致二氧化硅薄膜生長(zhǎng)，互聯(lián)線路腐蝕等問(wèn)題，溶解二氧化碳會(huì)導(dǎo)致陰離子超標(biāo)，設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)，水質(zhì)電阻不達(dá)標(biāo)等問(wèn)題，溶解氣泡會(huì)導(dǎo)致晶圓表面潤(rùn)濕或圖形缺陷等問(wèn)題。因此超純水溶解氣體控制至關(guān)重要。
超純水生產(chǎn)有多道工藝逐級(jí)控制各種污染物，總得來(lái)講分為第一階段，預(yù)處理，主要包括多介質(zhì)，活性炭，軟化，超濾，兩級(jí)RO，陰陽(yáng)床，脫碳塔/膜接觸器，各級(jí)加藥等工藝；第二階段，制成段，主要包括連續(xù)電除鹽EDI，陰陽(yáng)床，再生混床，UV, 第一級(jí)脫氧等工藝；第三階段，拋光段，主要包括TOC-UV，拋光混床，終端超濾/終端濾芯，二級(jí)脫氧等工藝；典型的工藝流程如圖1所示；
圖1，典型超純水工藝流程及3M過(guò)濾與分離解決方案
對(duì)于溶解氣體控制，同樣貫穿于超純水生產(chǎn)的整個(gè)工藝流程，包括預(yù)處理階段的二氧化碳的脫除；制成階段的二氧化碳和溶解氧脫除；拋光段的溶解氧脫除以及拋光段的溶解氣體添加。綜上所述，超純水中的溶解氣體控制主要有如下幾個(gè)應(yīng)用點(diǎn)，第一，超純水脫氧；第二超純水脫二氧化碳；第三超純水加氣-機(jī)能水應(yīng)用；
3M Liqui-Cel膜接觸器產(chǎn)品介紹
3M Liqui-Cel膜接觸器產(chǎn)品已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于各Fab廠超純水溶解氣體控制應(yīng)用，有超過(guò)40年成功應(yīng)用歷史，其穩(wěn)定的性能和超長(zhǎng)的壽命贏得了業(yè)主和合作伙伴的一致認(rèn)可。關(guān)于Liqui-Cel膜接觸器產(chǎn)品，下面我會(huì)簡(jiǎn)單給大家做個(gè)介紹。
Liqui-Cel膜接觸器采用疏水聚丙烯材料建造，水不會(huì)潤(rùn)濕膜壁。特殊干拉狀的膜孔，平均30nm的孔徑，使得膜孔只有氣體可以自由穿過(guò)，而水不會(huì)穿過(guò)，膜孔掃描電鏡圖如圖2所示。
圖2，疏水膜和膜孔電鏡圖
Liqui-Cel膜絲為中空纖維，300um外徑，超高的封裝率，產(chǎn)生了超大的氣液接觸界面和傳質(zhì)效率。超細(xì)的膜絲可以很好的承壓，不會(huì)被外側(cè)過(guò)大的水壓壓潰。
圖3，中空纖維膜絲及編織排布
Liqui-Cel膜絲通過(guò)編織排布行程膜墊，確保纖維外側(cè)的液體和膜絲可以充分接觸，減少旁通。編織結(jié)構(gòu)也可以產(chǎn)生局部湍流，提高傳質(zhì)效率。精確的編織同時(shí)保證了產(chǎn)品的一致性。（編織圖片）
Liqui-Cel膜組件由膜墊卷繞塑封到膜殼內(nèi)形成，中間部分由特殊的Baffle設(shè)計(jì)，確保水流入膜殼內(nèi)強(qiáng)制輻射狀垂直纖維流動(dòng)，而不是平行于纖維流動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以最大化氣體傳質(zhì)。
圖4，Liqui-Cel膜組件
Liqui-Cel膜接觸器控制溶解氣體的原理在于亨利定律，也就是控制與液體接觸氣相中的氣相分壓來(lái)控制液體中的溶解氣體�？梢酝ㄟ^(guò)掃惰性氣體或抽真空降低分壓進(jìn)行脫氣，也可以增加分壓進(jìn)行加氣，還可以控制一定的分壓調(diào)節(jié)液體中的溶解氣體。Liqui-Cel膜接觸器通過(guò)中空纖維膜壁上的孔提供了巨大的氣液兩相接觸界面，從而最大化氣體傳質(zhì)。
圖4，亨利定律解析
經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，Liqui-Cel已經(jīng)形成全系列產(chǎn)品線，可以針對(duì)不同流量，不同應(yīng)用，不同行業(yè)，不同規(guī)范要求，選擇的膜組件。
圖5，Liqui-Cel全系列產(chǎn)品線
3M Liqui-Cel膜接觸器針對(duì)不同應(yīng)用，有多種工作模式，單一吹掃模式，單一真空模式，組合Combo模式和鼓風(fēng)模式。使用最多的是Combo組合模式，即一側(cè)吹掃惰性氣體，另一側(cè)抽真空。
圖6，Liqui-Cel膜接觸器各工作模式
典型Combo組合模式的PID圖如圖7所示：
圖7，Liqui-Cel膜接觸器典型Combo組合模式PID流程圖
3M Liqui-Cel膜接觸器對(duì)于具體超純水溶解氣體控制的實(shí)現(xiàn)
上面介紹完了Liqui-Cel膜接觸器產(chǎn)品，下面我會(huì)分別從超純水脫氧，脫二氧化碳，添加溶解氣體這三個(gè)應(yīng)用來(lái)詳細(xì)介紹一下Liqui-Cel膜接觸器如何應(yīng)用于這些應(yīng)用。
1.超純水脫氧
溶解氧對(duì)于半導(dǎo)體制程至關(guān)重要，超純水中的溶解氧會(huì)直接導(dǎo)致硅晶圓熱氧化，銅互連的氧化腐蝕等問(wèn)題，會(huì)直接導(dǎo)致良率下降和設(shè)備及工藝問(wèn)題。不同線寬的集成電路對(duì)超純水中溶氧的指標(biāo)有所不同，如表1所示，通常40nm以下制程，溶解氧指標(biāo)都要求在1ppb以下，甚至大部分12英寸Fab廠甚至一些8英寸Fab也提升對(duì)溶氧的要求到1ppb以下。
溶解氧控制在半導(dǎo)體超純水生產(chǎn)工藝中主要有兩個(gè)位置，如圖1所示，一個(gè)在制成段，去除超純水中絕大部分溶解氧，通常安裝在混床或EDI后，純水箱之前，將水中的溶解氧從飽和溶氧降低到30ppb以內(nèi)，甚至10ppb以內(nèi)。也可以安裝于EDI前，脫除二氧化碳的同時(shí)，同步脫除溶解氧。由于該脫氧位置脫除大部分溶氧，也叫第一級(jí)脫氧或主脫氧。第二個(gè)脫氧位置在拋光段，用于將殘余的極少量溶氧降低到規(guī)范以下，通常在3ppb或1ppb以下，并維持拋光段循環(huán)的水一直維持超低氧運(yùn)行，時(shí)刻滿足POU用水點(diǎn)需求，這個(gè)位置叫二級(jí)脫氧，由于拋光段對(duì)于純度的要求很高，該階段的脫氧設(shè)備所有接液材料需要同時(shí)滿足高純要求。二級(jí)脫氧通常安裝在拋光混床后，也有安裝于拋光混床前，TOC-UV后的位置。安裝于TOC-UV后時(shí)，要避免TOC-UV過(guò)量的羥基氧化Liqui-Cel膜接觸器。
第一級(jí)脫氧通常要求99.5%以上的脫除效率，因此需要多級(jí)膜組串聯(lián)，通常是三級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)。采用高純氮?dú)獯祾吆驼婵战M合模式，最大化脫氧效率。該級(jí)脫氧最常用的膜組件規(guī)格為14x28或14x40。單只14x28膜最大流量在90立方。第二級(jí)脫氧由于高純度要求，通常選用10x28，玻璃鋼內(nèi)襯PVDF膜殼，如圖8所示，
圖8，拋光段Liqui-Cel 10x28脫氧系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)圖片
2.超純水脫除二氧化碳
脫除二氧化碳多用于水體含有過(guò)多的二氧化碳或高堿度的場(chǎng)合。二氧化碳通常會(huì)以游離二氧化碳或碳酸氫根的形式存在，會(huì)增加陰離子交換樹(shù)脂的工作負(fù)荷，會(huì)導(dǎo)致EDI出水電阻不穩(wěn)定，會(huì)減少硅和硼的去除率。因此陰床或混床前脫除二氧化碳可以延長(zhǎng)使用周期至少2倍以上，減少再生頻率及其相關(guān)的化學(xué)品和水消耗。EDI對(duì)入水游離二氧化碳濃度有限制要求，就是為了減少二氧化碳對(duì)EDI出水和運(yùn)行的影響。通常游離二氧化碳的濃度被要求在5ppm以下，也有客戶提出更高要求，二氧化碳脫除到1ppm以下。
Liqui-Cel膜接觸器脫除二氧化碳有多個(gè)安裝位置，如圖1所示，可以安裝于預(yù)處理階段，比如一二級(jí)反滲透膜直接之間，用于替代添加氫氧化鈉，對(duì)于一些高堿度水質(zhì)，一級(jí)RO+Liqui-Cel+EDI可以很好的替代兩級(jí)RO+EDI工藝，減少系統(tǒng)投資成本和運(yùn)行能耗。Liqui-Cel膜接觸器還可以替換脫碳塔，用于陰陽(yáng)床之間，或者用于混床前，用于EDI前。相對(duì)于加堿和脫碳塔工藝，Liqui-Cel脫二氧化碳優(yōu)勢(shì)匯總?cè)绫?所示：
表2，Liqui-Cel脫二氧化碳與傳統(tǒng)加藥及脫碳塔對(duì)比
Liqui-Cel膜接觸器脫二氧化碳系統(tǒng)建造也有多種模式可以選擇，可以通過(guò)吹掃壓縮空氣的方式，也可以通過(guò)吹掃空氣+真空組合模式實(shí)現(xiàn)更高效率的脫碳。
3.超純水加氣-機(jī)能水
除了從超純水中脫除氣體，為了滿足某些特定半導(dǎo)體機(jī)臺(tái)的使用要求，還需要向超純水中添加氣體，比如氮?dú)猓瑲錃�，二氧化碳�(xì)怏w，用來(lái)滿足機(jī)臺(tái)特定的機(jī)能，比如添加氫氣或氮?dú)馓岣咭恍┏暡C(jī)臺(tái)對(duì)于一些納米級(jí)顆粒的清洗效率，添加二氧化碳提高超純水電導(dǎo)，有利于提高CMP后清洗效率，或者添加二氧化碳改變水PH值等，因此這些加氣的超純水又稱為機(jī)能水。
加氮機(jī)能水是半導(dǎo)體工藝常用的機(jī)能水，通常經(jīng)過(guò)二級(jí)脫氧后，超純水中溶氧小于1ppb，溶氮小于3ppm，而機(jī)臺(tái)要求溶氮達(dá)到7ppm甚至更高到飽和溶氮甚至過(guò)飽和溶氮。而溶氮可以簡(jiǎn)單的通過(guò)在二級(jí)脫氧后再增加一級(jí)Liqui-Cel膜接觸器來(lái)進(jìn)行加氣。加氮機(jī)能水可以很好的配合超聲波工藝，產(chǎn)生小的氣穴，提高對(duì)一些納米級(jí)顆粒的去除率。
具體的加氣系統(tǒng)，可以有兩種配置，一是通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)控制添加量即可，第二種就是通過(guò)控制氮?dú)鈮毫?lái)控制添加量，對(duì)于不飽和濃度溶氮，通常通過(guò)真空泵和氮?dú)庠磥?lái)控制氮?dú)鈧?cè)壓力來(lái)達(dá)到要求的濃度。具體PID圖如下：
圖9，加氮機(jī)能水典型工作流程
3M Liqui-Cel膜接觸器除了廣泛的應(yīng)用于半導(dǎo)體超純水工藝，還用于半導(dǎo)體其他需要控制溶解氣體的流體，比如用于鍍銅機(jī)臺(tái)電鍍液脫除氣泡，還可用于半導(dǎo)體廠高氨氮廢水處理，脫除水中的氨氮，更多的內(nèi)容會(huì)在后續(xù)內(nèi)容向大家揭曉。關(guān)于更多的Liqui-Cel超純水應(yīng)用案例和其他半導(dǎo)體應(yīng)用相關(guān)案例，歡迎瀏覽3M網(wǎng)站或者3M工業(yè)過(guò)濾專家公眾號(hào)，也歡迎來(lái)電咨詢，3M技術(shù)和業(yè)務(wù)團(tuán)隊(duì)隨時(shí)準(zhǔn)備為您服務(wù)。
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