12英寸半導(dǎo)體集成電路超純水深度除有

機(jī)工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)摘要：該工程為某12英寸半導(dǎo)體集成電路項(xiàng)目超純水系統(tǒng)，原水為當(dāng)?shù)厥姓詠?lái)水，處理能力450m3/h，針對(duì)TOC、尿素、電阻率等難點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了深度優(yōu)化設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體；集成電路；超純水制備；有機(jī)物Optimizeddesignof12-inchsemiconductorintegratedcircuitultrapurewaterdeepremovaloforganictechnologyZhongJian-hui、RongYu-zhou(ChinaElectronicsSystemEngineeringNo.2ConstructionCo.,Ltd.JiangsuWuxi214000,China)Abstract:Theprojectisanultra-purewatersystemfora12-inchsemiconductorintegratedcircuitproject.Therawwaterislocalmunicipaltapwaterwithaprocessingcapacityof450m3/h.IthasbeendeeplyoptimizedfordifficultwaterqualityindicatorssuchasTOC,urea,andresistivity.Keywords:Semiconductor;integratedcircuit;ultrapurewaterpreparation;organicmatter引言12英寸半導(dǎo)體集成電路包含清洗、氧化、光刻、刻蝕、離子注入、去膠、擴(kuò)散、化學(xué)氣相沉積、金屬化工藝、化學(xué)機(jī)械研磨等制造過(guò)程，其中，幾乎每一項(xiàng)生產(chǎn)工藝中都需要使用超純水進(jìn)行沖洗，由于半導(dǎo)體的制程精度高，制造難度大，其對(duì)超純水水質(zhì)的要求高，技術(shù)難度大。本文主要介紹了某12英寸半導(dǎo)體集成電路項(xiàng)目超純水制備系統(tǒng)的工程實(shí)例，處理工藝及設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)同類工程具有一定的參考意義。1工藝設(shè)計(jì)1.1質(zhì)量水質(zhì)該工程為某12英寸半導(dǎo)體集成電路項(xiàng)目超純水制造系統(tǒng)，原水為當(dāng)?shù)厥姓詠?lái)水，處理能力45m3/h。本項(xiàng)目的原水水質(zhì)見(jiàn)表1，超純水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)產(chǎn)水水質(zhì)見(jiàn)表2。原水中的純尿素由于施肥等農(nóng)業(yè)活動(dòng)，根據(jù)季節(jié)呈規(guī)律性變化，在每年夏季6,7月份最高可到達(dá)3.9ppm。表1超純水原水水質(zhì)目項(xiàng)單值員單位I).477尿'素mg/L.9導(dǎo)率電PS/cm502硬'度9、mg/L(asCaCO3)2蟲(chóng)N0:二 mg/L值371

度TU.8氧化硅2OC、 mg/L.」表2超純水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)產(chǎn)水水質(zhì)1.2工藝路線

根據(jù)本系統(tǒng)高水質(zhì)要求，原水中高尿素的特性，并結(jié)合相關(guān)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。選擇了以下工藝路線:圖1超純水制備工藝路線圖1.2.1工藝流程說(shuō)明：根據(jù)超純水系統(tǒng)的進(jìn)出水?dāng)?shù)據(jù)（表1和表2所示），選擇恰當(dāng)?shù)墓に嚵鞒?，通過(guò)不同工藝單元的組合，滿足12英寸半導(dǎo)體工藝制程對(duì)超純水的水質(zhì)需求的同時(shí)，降低整套系統(tǒng)的投資成本和運(yùn)行成本⑴本系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于：針對(duì)原水中尿素呈季節(jié)性周期變化的特性，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，同時(shí)采用智能化監(jiān)測(cè)的手段，控制超純水系統(tǒng)預(yù)處理工藝，并在超純水系統(tǒng)的后段針對(duì)電阻率、TOC、溶解氧（DO）等重難點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。。1.原水池中通過(guò)儀表對(duì)原水池中的尿素進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)其中的尿素濃度，投加氧化劑，并在原水池中增加攪拌設(shè)備和循環(huán)設(shè)備，保證氧化劑與原水中的尿素充分混合，保證尿素通過(guò)氧化法深度出去。2.雖然原水的電導(dǎo)率較低，但氧化劑的投加會(huì)提高原水中的TDS，進(jìn)而提高原水中的電導(dǎo)率，預(yù)處理系統(tǒng)出水的電導(dǎo)率較高，為了保證可以超純水系統(tǒng)的出水的電阻率滿足18.2MQ?cm的要求，本項(xiàng)目超純水系統(tǒng)核心工藝采用“2B3T+反滲透+混床+拋光混床”的工藝，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)以及計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)研究，選擇價(jià)格優(yōu)惠、穩(wěn)定性高的國(guó)產(chǎn)離子交換樹(shù)脂，在投資成本的同時(shí)，滿足了12英寸集成電路行業(yè)對(duì)超純水的嚴(yán)格要求。3.超純水系統(tǒng)產(chǎn)水對(duì)TOC的要求為1ppb,為了深度去除水中的有機(jī)物，本系統(tǒng)采用兩級(jí)TOC-UV的工藝，通過(guò)兩級(jí)短波長(zhǎng)紫外線的高強(qiáng)度照射，通過(guò)產(chǎn)生的自由基，充分降解水中的殘余TOC和尿素。[1]4.本項(xiàng)目12英寸集成電路制造工藝對(duì)超純水中的DO的要求為3ppb，本系統(tǒng)采用多級(jí)脫氣膜串聯(lián)的方式脫除水中的溶解氧，同時(shí)采用前后兩級(jí)脫氣膜聯(lián)合使用進(jìn)一步保障水中的溶解氧濃度，并在RO系統(tǒng)后的水箱中使用氮?dú)飧艚^空氣，防止空氣中的氧氣溶解于水中。1.2.2主要設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)該工程水質(zhì)要求高，處理水量大，核心工藝設(shè)備均采用N用1備的方式，管道選用潔凈度較高的SS304或SS316不銹鋼、UPVC材質(zhì)，在拋光系統(tǒng)選用潔凈度更高的PVDF材質(zhì)，防止超純水受到管道污染。1.原水池原水池是超純水系統(tǒng)原水的暫存池，在本系統(tǒng)中，也是去除尿素的氧化反應(yīng)池，本系統(tǒng)再原水池中設(shè)置尿素檢測(cè)儀和氧化劑的加藥裝置，根據(jù)檢測(cè)儀反饋的尿素濃度，智能調(diào)節(jié)氧化劑的加藥量，避免氧化劑的過(guò)量投加造成的二次污染。1.多介質(zhì)過(guò)濾器（MMF）多介質(zhì)過(guò)濾器采用石英砂等為濾料的粒狀過(guò)濾層進(jìn)一步截留水中微小的懸浮雜質(zhì)，從而使水澄清的過(guò)程。過(guò)濾機(jī)理包括攔截、沉淀、慣性、擴(kuò)散、粘附、水動(dòng)力等。本工藝單元采用2用1備的設(shè)計(jì)，單套設(shè)計(jì)處理水量58.5m3/h，罐體尺寸62400XH2400mm，采用碳鋼襯膠的材質(zhì)，反洗周期〉24h。1.活性炭過(guò)濾器（ACF）活性炭過(guò)濾器一般設(shè)置在多介質(zhì)過(guò)濾器之后，進(jìn)一步去除微小懸浮雜質(zhì)，但與多介質(zhì)過(guò)濾器不同的是，活性炭過(guò)濾器主要工作原理除了過(guò)濾，更多的是吸附、還原。本工藝單元采用2用1備的設(shè)計(jì)，單套設(shè)計(jì)處理水量58.5m3/h，罐體尺寸61800XH2200mm，采用碳鋼襯膠的材質(zhì)，反洗周期〉24h。1.陽(yáng)離子交換塔、脫炭酸塔、陰離子交換塔（2B3T）2B3T系統(tǒng)是陽(yáng)離子交換塔、脫炭酸塔、陰離子交換塔這三個(gè)設(shè)備組合起來(lái)的簡(jiǎn)稱，離子交換樹(shù)脂塔將陽(yáng)性或陰性的弱、強(qiáng)不同的兩種樹(shù)脂填充在同一樹(shù)脂塔的上、下層，根據(jù)不同樹(shù)脂的特性處理不同性質(zhì)的離子。脫炭酸塔是采用吹脫的方式，將水中的二氧化塔吹脫。本工藝單元設(shè)備均采用2用1備的設(shè)計(jì)，單套設(shè)計(jì)處理水量58.5m3/h，罐體尺寸61800*H2450mm，采用碳鋼襯膠的材質(zhì)，再生周期24h。陽(yáng)塔采用強(qiáng)陽(yáng)樹(shù)脂填充，陰床采用強(qiáng)陰和弱陰樹(shù)脂混合填充。1.反滲透裝置前段有2B3T裝置，出水電導(dǎo)率已低于2us/cm。反滲透系統(tǒng)可以進(jìn)一步去除水中的離子，降低出水的電導(dǎo)率，同時(shí)根據(jù)其致密的孔徑，去除水中全部的大分子有機(jī)物，可以有效降低水中的TOC。本工藝單元采用2用1備的設(shè)計(jì)，每套反滲透單元需設(shè)置兩臺(tái)高壓水泵，為了實(shí)現(xiàn)高壓泵的穩(wěn)定、節(jié)能運(yùn)行和變頻啟停等功能，需為高壓泵加裝變頻器。本單元的反滲透膜選擇使用高有效膜面積、低能耗苦咸水反滲透膜原件，降低能耗的同時(shí)提高反滲透的回收率，每個(gè)反滲透單元采用5:2的兩段設(shè)計(jì)，回收率達(dá)到90%。本系統(tǒng)的反滲透單元濃水用于前段MMF和ACF的反洗。1.TOC-UVTOC-UV是通過(guò)使用185nm的高能紫外線產(chǎn)生自由基，降解水中有機(jī)污染物的裝置。紫外線設(shè)備外殼采用SS316不銹鋼材質(zhì)。由于紫外線會(huì)降低塑料管道的使用壽命，紫外線設(shè)備的進(jìn)出水管道均采用SS316不銹鋼材質(zhì)。1.混床裝置混床是將陰陽(yáng)離子交換樹(shù)脂按一定比例混合，共同去除水中的殘留離子的裝置，混床出水的電阻率＞17MQ?cm。本工藝單元采用2用1備的設(shè)計(jì)，每套設(shè)計(jì)處理水量45m3/h，罐體尺寸61000XH3000mm，采用碳鋼襯膠的材質(zhì)，樹(shù)脂再生周期7天。陽(yáng)離子交換樹(shù)脂與陰離子交換樹(shù)脂的比例為1:2。1.脫氣膜裝置脫氣膜是利用中空纖維膜壁上的微孔，只有直徑較小的氣體分子能夠穿過(guò)。通過(guò)真空泵和氮?dú)獠粩鄬⒚摎饽ぶ械臍怏w抽走，水中的氧氣等雜質(zhì)氣體不斷從超純水中經(jīng)中空纖維膜向外溢出，從而去除超純水中的雜質(zhì)氣體。該系統(tǒng)采用兩級(jí)脫氣膜的設(shè)計(jì)，第一級(jí)脫氣膜采用40inch脫氣膜，采用真空泵+氮?dú)獯祾叩哪Ｊ?，每個(gè)單元有三支脫氣膜，第二級(jí)脫氣膜采用X-IN脫氣膜，采用真空泵+氮?dú)獯祾叩哪Ｊ剑總€(gè)單元有兩支脫氣膜。1.拋光混床超純水再拋光系統(tǒng)中使用拋光混床進(jìn)一步提高電阻率的指標(biāo)，拋光混床的樹(shù)脂無(wú)需再生，一般1-2年直接完全更換。本工藝單元采用1用1備的設(shè)計(jì)，每臺(tái)設(shè)備設(shè)計(jì)處理水量45m3/h，罐體尺寸61700XH2000mm，樹(shù)脂直接從廠家購(gòu)買經(jīng)過(guò)配合好的拋光樹(shù)脂，設(shè)計(jì)線性流速V70m/h。1.最終超濾最終超濾是半導(dǎo)體集成電路超純水系統(tǒng)的最后一道處理單元，需要保證產(chǎn)水中對(duì)于顆粒物的要求。本單元采用孔徑為O.Ol^m的超濾原件，本工藝單元采用3用1備的設(shè)計(jì)，回收率95%。2設(shè)計(jì)特點(diǎn)系統(tǒng)水質(zhì)穩(wěn)定本系統(tǒng)采用長(zhǎng)流程、多環(huán)節(jié)的工藝對(duì)原水進(jìn)行處理，得到滿足使用需求的超純水水質(zhì)，并通過(guò)N+1的設(shè)計(jì)，保證了每一個(gè)單元運(yùn)行的連續(xù)性，同時(shí)也避免了因系統(tǒng)維修等原因造成水質(zhì)的波動(dòng)、影響集成電路生產(chǎn)良率的情況出現(xiàn)；智能化的利用采用智能化監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)進(jìn)水中的難去除中性小分子有機(jī)物尿素濃度季節(jié)性變化的特性，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)監(jiān)控的尿素濃度調(diào)節(jié)其氧化劑的加藥量，保證精準(zhǔn)去除，避免過(guò)量投加二次污染。3運(yùn)行情況(1)運(yùn)行效果。本工程在安裝結(jié)束后，經(jīng)過(guò)2個(gè)月的調(diào)試期，順利完成超純水供水，系統(tǒng)運(yùn)行效果良好，運(yùn)行穩(wěn)定，整體超純水工程于2020年8月驗(yàn)收，系統(tǒng)出水水質(zhì)均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，其中主要的水質(zhì)指標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。表3系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)水水質(zhì)運(yùn)設(shè)項(xiàng)目單位行值計(jì)值

（2）運(yùn)行費(fèi)用。運(yùn)行費(fèi)用主要包括化學(xué)品、動(dòng)力原料、電力消耗、設(shè)備耗材等?？傆?jì)運(yùn)行費(fèi)用約13.92元/噸產(chǎn)水（不計(jì)折舊費(fèi)，維護(hù)費(fèi)，人員管理費(fèi)等）。詳細(xì)內(nèi)容見(jiàn)表4。表4系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用明細(xì)項(xiàng)內(nèi)容費(fèi)用（元/噸產(chǎn)水）化學(xué)品NaClO、PAC、NaOH、HCl等1.28

動(dòng)力原料自來(lái)水、壓縮空氣、氮?dú)獾?.30電力消泵、風(fēng)機(jī)、殺菌燈等設(shè)備耗電量2.35耗設(shè)各類填料、離子交換樹(shù)脂、紫外線燈、備耗反滲透膜、脫氣膜等4.99材4結(jié)束語(yǔ)綜上所述，得出以下結(jié)論:采用“尿素深度預(yù)處理一兩級(jí)過(guò)濾-2B3T-反滲透一混床一拋光混床”的工藝路線，針對(duì)原水中尿素呈季節(jié)性周期變化的特性，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在超純水系統(tǒng)的制成系統(tǒng)和拋光系統(tǒng)針對(duì)電阻率、TOC、溶解氧(DO)等重難點(diǎn)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行了針對(duì)性、多級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)選用核心材料，節(jié)能、經(jīng)濟(jì)地制得滿足12英寸半導(dǎo)體集成電路工藝生產(chǎn)所需的高品質(zhì)超純水，具有系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、節(jié)能、出水水質(zhì)好、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)。本超純水系統(tǒng)所選用的工藝路線、處理方法在國(guó)際上處于先進(jìn)水平，并采用智能化技術(shù)，針對(duì)性去除難去除小分子有機(jī)