超纯水制备工艺过程中水质在线监测应用

1. 超纯水在半导体芯片生产中的应用需求
 
随着半导体行业竞争的日趋激烈，半导体芯片生产对超纯水的质量、纯度要求不断提高，超纯水在半导体芯片生产中的质量和稳定性对半导体设备及芯片产品的良率、性能、品质和可靠性等多方面产生重要影响。因此，如何优化半导体芯片生产中超纯水的生产工艺和水质检测技术，以满足半导体芯片生产对高纯度、高品质的超纯水的需求，已成为半导体产业研究和探讨的重要课题。
 
2. 超纯水的生产工艺及设备
 
超纯水生产系统主要由预处理、一级反渗透（RO）处理、二级反渗透处理、混床处理、紫外线杀菌、超滤（UF）等设备组成。超纯水的生产工艺主要包括预处理、反渗透膜和混床处理、紫外线杀菌及超滤等处理工艺。
 
（1）预处理：预处理的主要目的是减少原水中的悬浮物、颗粒物、浊度、余氯、电导率等。常见的预处理设备包括原水罐、多媒体过滤器、活性炭过滤器、软化器等。
 
（2）混床处理：将反渗透处理后的水进行深度去离子处理，以降低水中的电导率。混床中的阳离子和阴离子树脂可以将水中的阳离子和阴离子完全吸附，使水的电导率降低到极低水平。超滤
 
（3）UF：超滤是通过外压作用使液体和部分小分子物质通过一种选择性能的膜，留下大分子物质和颗粒物的过程。主要用于去除水中的细菌、大分子有机物等。
 
（4）RO反渗透是一种通过半透膜滤除水中杂质的技术，可以用于水的净化和海水淡化。RO反渗透技术的核心是半透膜，其具有高通透性和选择性，可以将水中的溶解性固体、溶解性气体、有机物等杂质滤除，从而获得高纯度的水。
RO反渗透技术的工作原理是，将水通过高压泵送入半透膜模组，水分子可以通过半透膜，而杂质则被滤除。经过RO反渗透处理后的水质量高，可以用于饮用水、工业用水、电子行业用水等。
RO反渗透技术的优点是：处理效率高、占地面积小、操作简便、处理成本低、处理后水质高。缺点是：需要高压泵提供高压力，能耗较高；半透膜易受到污染，需要定期更换。
反渗透膜：将原水中可溶性盐分、有机物以及细菌等去除，达到设定的水质标准。通常采用一级反渗透和二级反渗透处理，一级反渗透设备的主要目的是达到一定的去盐率，同时预防二级反渗透膜的污染；二级反渗透设备进一步提高水质。
 
（5）EDI技术（Electrodeionization）可以制备超纯水，通常指电子级水（Electronic Grade Water，EGW）。与传统的去离子技术不同，EDI技术可以使水的电阻率达到18 MΩ·cm以上，玻璃级别的纯度。
 
制备超纯水的EDI系统流程通常包括3个系统：一级RO预处理，二级EDI超纯水系统和循环RO系统。首先，一级RO预处理可以去除大部分离子、杂质和溶解性固体，以减轻EDI系统的工作压力。其次，EDI超纯水系统可以进一步去除电导率非常低的离子和有机物。*后，循环RO系统主要是为了回收EDI系统废水并减少水的消耗，降低操作成本。
 
EDI技术制备的超纯水质量高、纯度稳定、操作成本低、废水回收利用率高。在微电子制造、药物制造、食品加工等领域有广泛的应用。
（6））紫外线杀菌：紫外线（UV）是一种有效的杀菌手段，可以破坏微生物DNA和RNA，使其失去活性，达到杀菌消毒的目的。
3. 水质关键检查点要求达到的技术指标
 
半导体芯片生产对超纯水的技术指标要求非常高，主要包括以下几个方面：
（1）电阻率：电阻率是表征水质纯度的一个重要指标，一般要求达到18.2MΩ·cm（25℃）。
（2）硅、磷、铝等微量元素浓度：要求对这些微量元素的浓度进行严格控制，一般要求在数ppb甚至ppt水平。
（3）细菌及细菌内毒素：要求对细菌数量进行严格控制，一般要求细菌数量不大于10cfu /100ml，内毒素不大于0.25EU/ml。
（4）余氯：作为消毒剂的氯对半导体设备有腐蚀性，因此要求对水中的余氯进行严格控制，一般要求在数ppb水平。
（5）颗粒物：对水中颗粒物的浓度要求严格控制，通常要求在0.1μm-1.0μm大小的颗粒物浓度不大于50个/ml。
 
4. 在线水质监测技术及设备
在线水质监测可以实时获取超纯水的水质数据，对半导体芯片生产线具有重要指导意义，有利于对设备状态进行实时了解和调整。常用的在线水质监测设备和技术包括：
 
（1）电导率监测：电导率监测是实时检测超纯水电导率的一种监测手段，以确保其水质达到要求。常见的电导率监测仪器有HACH、YSI、ENDRESS HAUSER等品牌。
 
（2）余氯监测：余氯在线监测技术监测进膜前余氯的去除，主要包括DPD比色法和膜极法。HACH公司的CL17分析器和KINGMILL上海清淼光电KM-CL400是DPD比色法在线监测余氯的一种典型设备，具有监测结果准确、操作简便等优点。
 
（3）硬度监测：硬度在线监测在软化水监测出水水质和树脂的再生情况，主要采用EDTA滴定法，可以实时了解水中钙镁离子的含量。常见硬度监测设备主要包括HACH 、上海清淼光电等品牌。
 
5. 结论
 
随着半导体产业的发展，对半导体芯片生产过程中的超纯水质量要求越来越高，对超纯水生产工艺、设备、技术要求以及在线水质检测技术进行了探讨。通过优化纯水站设备配置和在线监测技术，可以更好地保障半导体芯片生产过程中的超纯水质量，提高半导体芯片的良率和性能，降低生产成本，从而为我国半导体产业的快速发展提供有力支持。