什么是超純水?

超純水（UPW）是除了氫離子與氧離子，幾乎沒有任何其他雜質的水。

“超純”強調(diào)了水被處理至所有污染物類型的最高純度，和常用的術語去離子（DI）水不同，除了常規(guī)的表征電解質含量的指標（電導率或電阻率）外，根據(jù)應用的不同還包括有機和無機化合物、溶解和顆粒物質、細菌及溶解氣體等指標。

超純水的特點和應用領域？

電子行業(yè)、太陽能光伏、制藥、發(fā)電、研究實驗室

超純水是電子行業(yè)中常用的術語，但在其他行業(yè)諸如太陽能光伏，制藥，發(fā)電以及研究實驗室等也被使用到。雖然每個行業(yè)都使用所謂的“超純水”，但質量標準各不相同。即使在電子行業(yè)中，不同應用諸如半導體、液晶面板及各種電子元器件對超純水的要求也各不相同。其中半導體中代表了“超純水”使用的最高等級，這也是我們在此要討論的內(nèi)容。

半導體超純水的水質要求？

國際半導體設備及材料協(xié)會(International Association of Semiconductor of Equipment and Materials, SEMI) , 其標準最新版本為SEMI F63-0918

國際半導體技術路線圖(International Technology Roadmap for Semiconductor, ITRS) , 其標準最新版本為2015 ITRS

美國材料與試驗協(xié)會（American Society for Testing Materials, ASTM），其標準最新版本為ASTM D5127-13(2018)

以一個中國大陸在建的12寸先進制程晶圓廠為例，超純水品質要達到以下苛刻的要求：      

半導體超純水系統(tǒng)是工業(yè)水處理系統(tǒng)中設計施工最為復雜，材料選擇最為講究，運行控制最為精密的系統(tǒng)，包括了眾多的子系統(tǒng)，功能單元及配套系統(tǒng)，所以半導體超純水的制備過程可以用“千錘百煉”來形容。

業(yè)界有不同的方式將半導體超純水系統(tǒng)細分成不同的子系統(tǒng)，這里將其細分為預處理、除鹽水、純水、循環(huán)拋光及回收五大子系統(tǒng)。

預處理系統(tǒng)

去除原水中的懸浮固體、濁度、膠體、大分子有機物等雜質及部分細菌微生物，減輕后續(xù)處理單元的負荷，保證其穩(wěn)定高效運行。

常用的功能單元有多介質過濾、超濾、活性炭過濾及軟化等，其中超濾為可代替多介質過濾的新技術，近年來已在一些項目上成功應用，與傳統(tǒng)多介質過濾相比，具有占地面積小，過濾精度高，出水水質穩(wěn)定，自動化程度高等特點。

以杜邦水處理解決方案的超濾膜元件SFP-2880XP為例，它采用杜邦最新的XP超濾膜制造工藝，滲透性提高35%；過濾精度0.03μm，可有效去除懸浮顆粒，膠體，細菌及病原體，出水濁度始終在0.1NTU之下；單支有效膜面積77平方米，處理水量大，占地面積小。

除鹽水系統(tǒng)

去除絕大多數(shù)的鹽分，有機物及弱電解質硅、硼等。其中有兩種途徑可以實現(xiàn)，當前在半導體超純水系統(tǒng)中最常見的是使用離子交換工藝。

Plan A

在離子交換工藝中，分別使用陽離子交換器交換陽離子，陰離子交換器交換陰離子、有機物及弱電解質硅、硼等。在兩個交換器間根據(jù)水質組成可選擇使用脫氣裝置去除溶解CO2， 以降低陰離子交換器的負荷。

在此單元中，優(yōu)異穩(wěn)定的產(chǎn)水水質是最關鍵的指標，同時運行成本也非常重要。而滿室床工藝，不論是AMBERPACK還是UPCORE都非常好的與以上兩個目標不謀而合，成為半導體超純水中除鹽水子系統(tǒng)的首選。

以使用杜邦水處理解決方案的Amberlite HPR離子交換樹脂的AMBERPACK滿室床為例，出水電導率小于1μs/cm甚至更低，水利用效率大于95%，再生劑耗量相比傳統(tǒng)的逆流再生可節(jié)省15-30%。

Plan B

另一種方式是使用反滲透膜法，具有進水鹽分允許范圍寬、占地面積小、模塊化設計、運維自動化程度高等特點。但此應用中，要特別注意反滲透對有機物及特定溶質（比如硼）的脫除效率有限的問題，杜邦水處理解決方案推薦使用高脫鹽的反滲透膜來彌補這方面的不足，如FILMTEC ECO系列反滲透膜。

純水系統(tǒng)

在進入超純水箱和最終的循環(huán)拋光段前，進一步改善水質尤其是有機物、顆粒物及特定溶質等指標，達到或基本上接近最終水質要求。經(jīng)過本系統(tǒng)后，一般要達到電阻率大于18 MΩ?cm，TOC在幾個ppb之內(nèi)，硼小于50ppt。

最常見工藝組合是反滲透膜 + 可再生混床 + 脫氣，在這里對反滲透膜和離子交換樹脂的純度要求更高，即本省所溶出或釋放的雜質極少，所以反滲透膜一般在使用前要進行額外的沖洗處理或直接選用半導體級（SG grade）的反滲透膜，離子交換樹脂也是如此。

杜邦超純水級的可再生陽離子交換樹脂AMBERJET™ UP1400 和陰離子交換樹脂AMBERJET™ UP4000除了具有非常優(yōu)異的常規(guī)性能外，自身的純凈度也非常優(yōu)異，兩者搭配應用在半導體超純水再生混床中，新樹脂沖洗很快可以達到且穩(wěn)定在電阻率大于18 MΩ?cm且TOC小于<2ppb的出水水平。

循環(huán)拋光系統(tǒng)

在用水點之前，使用熱交換、紫外、樹脂凈化、脫氣及精密過濾等手段，達到最終恒定溫度、恒定壓力、恒定水質的目標。因為超純水的性質非?；钴S，無法靜態(tài)保存，故在拋光系統(tǒng)中超純水以不斷的凈化循環(huán)的方式來保持其純凈度，故稱之為循環(huán)拋光系統(tǒng)。

而拋光樹脂床猶如一道“防火墻”，樹立起最后的屏障，對超純水起進一步精制的作用，以應對水質短期內(nèi)的細微波動，滿足終端對電阻率、TOC、硅、硼及單個離子指標的恒定要求。

而用在這里的不可再生的拋光混床樹脂，既要具有極高的純凈度，又要具有對痕量離子及污染物很高的選擇能力和去除效果。

杜邦出品的半導體超純水級不可再生的拋光混床樹脂AMBERJET™ UP6040，其自身的TOC及顆粒物釋放極低，同時產(chǎn)水中絕大多數(shù)單個離子可以達到檢測下限ppt級別，硅和硼的泄露一般也在50ppt以下。

對拋光混床樹脂的使用有一個誤區(qū)，認為前序系統(tǒng)處理效果差沒有關系，最終的拋光混床會解決所有的問題，所以出現(xiàn)的現(xiàn)象是：終端的水質不時波動，拋光樹脂壽命縮短，為了保證水質，不得不頻繁更換拋光樹脂，甚至使用多級拋光處理。

對此，杜邦水處理解決方案的建議是：

前序單元的運行與拋光段一樣重要；滿足一定指標的水質才能進入拋光段；正常情況下拋光處理一級足矣；始終牢記拋光精制混床只是“防火墻”！

對于AMBERJET™ UP6040，推薦的進水水質為：

電阻率: > 17 MΩ?cm

硅: < 2 ppb

TOC: < 15 ppb

回收系統(tǒng)

通過有效的水管理機制，合理分類和收集生產(chǎn)過程中比較清潔的水，回收并作為超純水系統(tǒng)的補水循環(huán)利用。

在半導體出現(xiàn)并發(fā)展的幾十年里，從制造工藝中回收沖洗水作為超純水系統(tǒng)補水一直都不被鼓勵，因為化學殘留物和顆粒污染物最終返回到超純水中會導致產(chǎn)品的缺陷。

直到近幾年來，水資源成本的增加以及排放法規(guī)的日益嚴格迫使生產(chǎn)商不斷增加投入，用于水的回收與處理。

經(jīng)過不斷的摸索，當前比較成熟可靠且相對經(jīng)濟的策略是：

回收非常干凈的后道沖洗水作為超純水系統(tǒng)的補水；

處理中度污染的前道沖洗水及其他用水經(jīng)過合理的處理后降級使用；

收集重度污染水處理后達標排放；

濃縮凈化有價值的化學藥劑；

其中，超濾、反滲透及離子交換樹脂都是常使用到的處理手段。

杜邦水處理解決方案的超濾、反滲透及離子交換樹脂三大類水處理核心產(chǎn)品，經(jīng)歷了超純水行業(yè)的檢驗，在全球范圍內(nèi)獲得了很高的市場占有率和認可度，同時憑借尖端的研發(fā)和先進的生產(chǎn)，持續(xù)助力半導體乃至整個電子行業(yè)的發(fā)展！上海比利威環(huán)保有限公司是陶氏杜邦的合作伙伴，我們致力推廣和銷售杜邦超濾、反滲透膜及離子交換樹脂。