半导体行业生产用水中的微颗粒物与硅的危害及去除工艺

微颗粒物的危害

微颗粒物的概念：微颗粒物指的是水中悬浮的、尺寸极小的固体颗粒，通常是硅化物、金属氧化物或有机物。

微颗粒物的危害：

1. 物理性破坏——导致短路或断路

一颗直径仅为0.1微米（100纳米）的颗粒，对于一个线宽仅几十纳米的晶体管来说，就像一座小山。如果在光刻环节落在硅片上，它会遮挡光线，导致图形缺陷（如短路或断路）。

在芯片制造中，有成千上万个这样的晶体管和电路。即使一颗微粒落在关键区域，也会导致整个芯片或部分功能失效。这直接降低了良率。

2. 干扰光刻工艺

现代光刻使用波长极短的光源（如DUV和EUV）。晶圆表面的微粒会造成光的散射和衍射，使投影到光刻胶上的图形失真、模糊或出现缺口，从而制造出不合格的电路。

3. 污染源和成核点

颗粒物本身可能含有金属离子等污染物，会成为后续工艺的污染源。

在高温工艺（如退火、薄膜沉积）中，颗粒物可能成为不必要的成核中心，导致薄膜生长不均匀，产生应力缺陷。

半导体行业用水标准中对微颗粒物的要求

在美国电子级用水标准ASTM D5127-13（2018） Type E-1.3 中微颗粒物（＞0.05微米）＜500个/L

在中国电子级水标准GB/T11446.1—2013 EW-I 中微颗粒物（0.05μm~0.1μm）＜500个/L、微颗粒物（0.1μm~0.2μm）＜300个/L、微颗粒物（0.2μm~0.3μm）＜50个/L、微颗粒物（0.3μm~0.5μm）＜20个/L、微颗粒物（＞0.5微米）＜4个/L

硅是芯片的基底，也是致命的污染物

这是最根本的原因，一种“成也萧何，败也萧何”的关系。

芯片的“地基”：绝大多数半导体芯片是制作在硅晶圆（Silicon Wafer） 上的。晶圆本身是高纯度的单晶硅。我们希望在晶圆上通过精确的工艺，生长出所需的二氧化硅层（SiO₂，作为绝缘层）或沉积其他材料。

不受控的硅是“敌人”：如果外来的、不受控制的硅（来自水中）污染了晶圆表面，它就会与原本设计好的精密工艺发生冲突。它不再是“地基”，而是“杂草”，会破坏计划的电路结构。

类比：这就像你要在一块纯净的大理石（硅晶圆）上雕刻一件精美的艺术品（芯片电路）。你希望按照自己的设计来雕刻。但如果空气中飘散着大理石粉末（水中的硅污染），它们会不受控制地落在你的刻线上，彻底破坏你的作品。

可溶性硅的独特危害：形成难以去除的“玻璃状”硬垢

可溶性硅（主要以硅酸H₄SiO₄形式存在）在水中是看不见的，但其危害性极大且隐蔽。

1. 蒸发析出与聚合

在用超纯水清洗晶圆后，晶圆表面会进行干燥。水分蒸发时，水中的可溶性硅会被浓缩，发生聚合反应，从可溶性状态转变为不溶性的二氧化硅（SiO₂），并牢固地附着在晶圆表面。

2. 顽固的污垢

这种原位生成的SiO₂薄膜非常致密、坚硬且化学惰性。常规的半导体清洗液（如SC1：氨水+双氧水）都难以将其完全去除。

3. 破坏核心结构

栅极氧化层（Gate Oxide）：这是晶体管的心脏，如今只有几个原子层的厚度。如果在生长这层高质量的SiO₂之前，表面就有杂质硅垢，会导致氧化层厚度不均、产生针孔缺陷，造成栅极漏电，使器件性能下降甚至失效。

影响薄膜沉积：硅垢会成为异质成核点，导致后续沉积的多晶硅、金属、介质层等薄膜不均匀，产生应力、龟裂或附着力问题。

胶体硅（颗粒硅）的物理性危害：纳米尺度的“陨石”

胶体硅是微小的不溶性SiO₂颗粒，悬浮在水中。它的危害是物理性的。

1. 尺度灾难

现代芯片工艺进入纳米级别（如3nm、5nm）。一颗尺寸为0.1微米（100纳米） 的胶体硅颗粒，对于一条仅几十纳米宽的电路线来说，无异于一颗巨大的“陨石”。

2. 直接破坏图形

光刻（Lithography）：如果颗粒落在光刻胶上，会遮挡曝光光线，导致投影到晶圆上的电路图形出现缺损、短路或断路。

3. 缺陷与良率

这样的一颗颗粒落在关键区域，就足以让一个价值不菲的芯片直接报废，直接冲击生产良率（Yield）。

半导体行业用水标准中对硅的要求

在美国电子级用水标准ASTM D5127-13（2018） Type E-1.3 中硅：＜0.5ppb

在中国电子级水标准GB/T11446.1—2013 EW-I 中全硅：≤2ppb

在半导体行业生产用水中，纯水系统对微颗粒物和硅的去除工艺

阶段一：预处理 - 粗过滤与保护

此阶段目标是减轻后续核心单元的处理负荷，特别是去除胶体硅和较大颗粒物。

1. 多介质过滤器 (Multi-Media Filter)：

作用：通过不同粒径的石英砂、无烟煤等介质，依靠机械截留作用去除水中的悬浮物、泥沙和较大颗粒的胶体硅。

2. 超滤 (UF - Ultrafiltration)：

作用：这是去除胶体硅、细菌、大分子有机物和绝大多数微颗粒物的核心屏障之一。UF膜的孔径在0.01-0.1μm（10-100纳米）级别，能有效截留绝大部分胶体物质。

重要性：保护下游的反渗透（RO）膜不被污染和堵塞。

3. 保安过滤器 (Cartridge Filter)：

作用：通常采用5μm或1μm的滤芯，作为RO系统前的最后一道保险，防止任何意外的大颗粒物进入并损伤精密且昂贵的RO膜高压泵和膜元件。

阶段二：主除盐 - 深度纯化的核心

此阶段是去除可溶性离子（包括可溶性硅） 的绝对主力。

1. 反渗透 (RO - Reverse Osmosis)：

作用：这是整个系统去除可溶性硅的“第一道核心关口”。RO膜通过高压使水分子透过致密的半透膜，而＞99% 的溶解盐分（包括硅酸根离子）、有机物和微颗粒物被截留并排出。

效率：一套设计良好的RO系统可以去除97%-99% 的可溶性硅，将其从进水中的ppm级别降至ppb级别。

2. 电去离子 (EDI - Electrodeionization)：

作用：将电渗析和离子交换技术结合。在直流电场作用下，水中的离子（包括残余的硅酸根离子SiO₃²⁻）定向迁移并通过离子交换膜被去除。

优势：可以连续运行、无需化学再生，能稳定地将硅含量控制在极低水平（< 1 ppb），是RO和后续抛光混床之间的完美桥梁。

阶段三：后处理（抛光） - 终极净化

即使经过RO和EDI，水质仍可能无法满足半导体级的极端要求，需要最终的精加工或“抛光”。

1. 紫外线灯 (UV - Ultraviolet)：

作用：主要使用185nm波长的UV灯，不仅能杀灭细菌，更能高效分解水中的微量TOC（总有机碳），防止细菌尸体和有机物成为颗粒物污染源。

2. 抛光混床 (Polishing Mixed Bed)：

作用：将H⁺型阳树脂和OH⁻型阴树脂混合在一个容器中，进行终极的离子交换。这是确保出水电阻率达到18.2 MΩ·cm（25°C）绝对理论值、并将可溶性硅含量降至0.01 ppb级的最终保障。

3. 终端超滤 (Point-of-Use UF)：

作用：这是去除纳米级颗粒物（包括残余的胶体硅）的“最后一道防线”。使用孔径极小的滤膜（0.1μm 或甚至 0.05μm），安装在最靠近用水点的位置，确保最终产水中大于目标尺寸的颗粒数趋近于零。

系统保障：防止二次污染

拥有先进工艺单元还不够，系统设计至关重要。

循环管路：超纯水必须24小时连续循环，保持湍流状态，防止死水滋生微生物和颗粒脱落。

管路材质：全部使用高光滑度的PVDF（聚偏二氟乙烯） 或低碳不锈钢，确保管道本身不腐蚀、不脱落颗粒。

实时监测：系统配备在线仪表，连续检测水中的颗粒数（Particle Count）、TOC、电阻率和硅含量，实现实时监控和预警。