半导体制造用水——水源、数量与质量挑战

半导体存在于市场上每一个电子设备中

对生命至关重要的水，数百万年来一直以大致相同的数量存在于这个星球上。我们既没有获得水，也没有失去水。不幸的是，人类在污染这固定数量的水方面做得非常出色。

请注意，只有大约30%的淡水可用（未结冰），其中大部分存在含水层，其中一些含水层难以获取。

没有两个水源的污染物类型或浓度完全相同，随着人口增长，我们现有的水源污染也在加剧。

全球变暖正在影响降水的频率、强度和地点，从而扰乱了水的可用性，无论水质如何。

化学分析的持续改进使科学家能够识别出越来越多的新兴污染物，揭示水源的污染程度远超此前认为的，尽管只有极少量此前未被识别的污染物。我们能测量的浓度越小，发现的就越多。

尽管水污染物的化学成分非常多样，但它们可以归类为以下几类：

• 悬浮固体
• 溶解离子盐
• 溶解有机化合物
• 溶解气体
• 微生物

由于这些水处理系统各自可能需要不同的处理技术以实现比较好去除，整体水处理系统设计相对复杂。特定水源中的污染物（及其浓度）也会使系统设计变得复杂。

幸运的是，水处理行业不断开发新技术，如今几乎没有受污染的水或污水供应无法通过处理以满足几乎所有质量要求。

水质

据悉，全球半导体市场规模在2025年估计为6280亿美元，预计到2034年将达到12070亿美元，复合年增长率为7.54%。

据估计，该行业使用12加仑超纯水冲洗一平方英寸的晶圆，鉴于该应用需要比较品质的水，因此对水处理工艺的理解更加深入。

如前所述，半导体制造中使用的水必须是比较高质量的；实际上，它永远不够纯净。质量要求正在推动创新水处理技术的边界，而大量污染物及其浓度对系统设计者构成了重大挑战。

行业制定了标准ASTM D127-13，《电子和半导体行业使用超纯水标准指南》。它列出了基于设备线宽的推荐质量要求：线宽越小，所需水质越高。上述所有污染物组均已涵盖，污染物数值通常受分析测量精度限制。

该标准并非强制性，但提供了建议的指导方针。许多制造商制定了自己的质量标准。

鉴于分析化学家现在测量的污染物浓度达到纳克/升（ppt）范围，合理预期该标准将修订以包含更严格的要求。作为背景说明，1 ppt相当于32,000年中的一秒。

本文重点介绍用于生产线宽0.032至0.065微米器件的E-1.3型水技术。

水处理系统

上图展示了用于生产半导体冲洗水的水处理系统。该系统分为三个单元：预处理、初级处理和抛光。原水源假设为市政或专属井。处理过的废水包含在处理系统的进水口中。

在许多情况下，这些组件有多种技术选择;但上述内容基于作者多年的经验。

预处理介质过滤

原水中悬浮固体的含量和大小将决定预过滤器的类型和微米额定值（见上图）。一般来说，地表水源中悬浮固体浓度高于地下水，对于大量水，含有沙子、无烟煤和其他滤材的床滤能能有效利用。该处理的目的是减少悬浮固体对下游技术的污垢或堵塞。

活性炭过滤（GAC）

如果进水来自市政水处理设施，则会含有消毒剂（通常是氯或氯胺），必须在反渗透膜安装前去除（见上图）。颗粒活性炭（GAC）过滤还能减少一些有机污染物，这些污染物可能污染反渗透膜。

逆渗透技术（RO）RO

技术去除溶解盐类、溶解有机物（分子量超过150）微生物，以及几乎所有悬浮固体的痕迹。它本质上是原子过滤，在半导体应用中，RO去除了大部分污染物，但需要抛光技术以实现终的水质（见下图）。

紫外线照射（UV）

是一种可行的灭活（破坏）微生物技术。185 nm 波长的紫外线既用于微生物破坏，也用于破坏某些未被逆渗透去除的低分子量有机物的化学键。254 nm 波长的紫外线主要用于微生物破坏（见下图）。

储水罐处理过的水具有一定的侵蚀性（腐蚀性），因此应装在惰性塑料（如PVDF）或不锈钢（316升）水箱中。罐内通常会用氮气毯替代空气，以阻挡氧气进入罐内。建议保持水族箱中低浓度臭氧（~0.5 mg/L），以减少微生物生长。

脱气

该组件能从处理水中去除溶解氧和二氧化碳。近期技术是一种膜工艺，利用空心纤维膜吸收并去除气体。该技术改进了传统的真空脱气技术（见下图）。

电去离子化（EDI）

EDI相比此前用于产生18.2兆欧姆-厘米电阻率（离子品质）的混合床DI技术具有明显优势（见下图）。它以电力为能源，无需再生，产生少量废水流，同时去除离子污染物和部分有机碳（TOC）。

终过滤

超纯水极具攻击性，想要溶解眼前的一切。尽管处理技术及储存和分销组件均由惰性建筑材料制成，但总会释放一定的污染物。此外，微生物，尤其是细***，是微量污染的主要来源。它们会促进TOC、离子和悬浮固体的污染。关于这些问题，文章中还有更多内容。

超滤（UF）是一种膜技术，旨在去除溶解的有机物和非常小的悬浮固体（<0.10 μ）。和反渗透一样，它使用膜连续去除两者。UF产生含有这些被淘汰污染物的小型废物流。孔径标示为MWCO（分子量截止值，去除有机化合物中小分子量）。市面上有许多不同的器件配置和聚合物可供选择。

大多数UF配置允许反洗以去除积垢物质。

下图展示了一个小型滑架安装的完整处理系统。

微生物问题

这类污染物特别需要关注。

常见的水源微生物包括原生动物、细***、病毒、藻类和真****。它们都是可存活的——自我繁殖，但麻烦的是细***。据估计，地球上有5×1030种细***。

约98%的水源细***形成生物膜，即有机脂多糖聚合物，这些聚合物包裹并保护细***免受消毒剂和清洁化学品的攻击。细***几乎想附着在所有表面，包括过滤介质、膜以及管道和储罐的内壁。这就是在容器边缘形成的“污垢”，容器长时间保持水（想象一下你给狗或猫用的水碗）。

生物膜不仅覆盖并保护细***，有些细***还会脱落并贡献TOC（总有机碳）。死去的细***（内***）会为水源带来悬浮固体、TOC和部分离子污染。膜（反渗透和荧光膜）、紫外线、臭氧和EDI均可用于减少微生物污染。

几乎不可能防止微生物（主要是细***的生长;现实目标是保持这些浓度足够低以满足水质要求）。

废水回收与利用

如前所述，凭借当今的水处理技术和工程专业技术，没有受污染的水源无法通过任何水质标准处理，因此让我们来看看半导体制造工艺流出的废水。

参考文献指出：“半导体制造废水挑战及印刷电子技术的潜在解决方案。1半导体制造涉及400多种化学产品，集成电路制造过程整体产生大量废水，含有多种有害化学污染物，包括重金属、酸、碱、溶剂及其他有毒物质。”该引用包含了“......几乎所有产品（约98%）都含有商业机密成分......”好消息是，虽然“成分”可能保密，但它们确实包含在上述污染物类别中，并且可以通过相同的技术从污水中去除。

挑战不在于如何去除这些污水污染物以达到超纯水质标准;这是经济问题。

据估计，研磨切割、化学机械平坦化以及氢氟酸

排放占废水量的50%以上。污水处理行业具备有效去除这些污染物并准备安全处理的能力。一些化学物质，如二氧化石、挥发性溶剂和某些难溶性化合物，难以去除，但已有技术可以去除它们。

可以进一步处理浓缩废物，甚至生产“干”固体;然而，结晶和蒸发等高能耗技术很可能需要。

当然，填埋也是一种可能，但部分废弃物可能需要危险物质处理，通常根据当地法规。

需要注意的是，回收和再利用半导体制造废水并非“轻而易举”，可能需要彻底的测试和/或试点，但不应被视为一项需要尚未成熟技术才能完成的不可能任务。

PFAS（全氟和多氟烷基物质）近年来因其在环境中无处不在而声名鹊起，其中两种（在超过16,000种PFAS化合物中）已被列入EPA饮用水初级标准名单。大家都听说过这些“永恒化学品”，据说它们无法分解，半导体行业也认为所使用的PFAS无法被替代。实际上，已有技术将PFAS分解为其基本化学物质（水、二氧化碳、氟化物），当该法案于2031年生效时，这些技术肯定会被用于市政饮用水厂。人类非常有创造力，尤其是在能赚钱的时候。

作为这一创新的一个例子，美国废水回收和再利用的“典范”是位于加州喷泉谷的橙县地下水补充系统，该系统被誉为全球比较大的间接饮用水净化系统。自2008年以来，该机构已将二级处理的市政污水处理成每日1.3亿加仑，为超过一百万人提供饮用水。受美国西部长期缺水问题及海水入侵污染饮用水含水层的推动，将污水转化为饮用水的成功证明了一项杰出的公关举措，克服了客户“厕所到水龙头”的思维模式。

与此同时，三星半导体近宣布计划利用污水来满足其每日近十亿加仑超纯净水的需求。

结论

根据半导体工业协会（SIA）的说法，“半导体是现代技术的奇迹，也是我们数字世界的基础。”芯片组、先进封装、背侧电力传输以及众多新材料的发展，结合量子计算和人工智能，加上芯片法案的投资，强烈表明该行业正处于暴炸性增长的边缘。

水体积固定且污染威胁日益增加，构成了阻碍这一增长的潜在限制。我们必须能够获取所有水源，并以经济的方式处理它们，以满足当前产品和未来产品的质量标准。数据中心的快速部署及其明显的冷却水需求，将凸显回收水的价值并推动创新。