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造一块芯片需要多少水?

发布时间:2022-12-21浏览:133次

  前不久,美国总统拜登签署了《2022芯片与科学法案》,不仅加大投入试图提升美国的芯片技术研发和制造能力,同时还设置“中国护栏”条款,试图逼迫芯片企业选边站队,限制企业在中国芯片产业的发展。事实上,中国芯片产业被卡脖子由来已久,原料、技术、供应链等方方面面深受外国掣肘,甚至是我们最常见的“水”。
 
  耗水的半导体产业
 
  半导体行业是一个非常耗水资源的行业,一块2g重的芯片,大概需要耗水32kg,一张12寸的硅片,需要耗水8吨,许多半导体行业的企业,如台积电,一天要用掉15万吨水,英特尔,一年要用掉3400万吨水,等于每年吸干2.5个西湖。一个大型Fab工厂,在半导体制造过程中每天需使用5~6万吨水,接近一个百万人口城市每天的用水量,这也是为什么在环保要求苛刻的欧洲,至今没有规模化的半导体制程工厂的原因。
 
  水在半导体制程工艺中,主要用在清洗工艺中,占总用水量的75%,其他作用还包括,冷凝塔用水,废弃处理用水。
 
  清洗是半导体制造过程中使用最多的工艺步骤之一。据估计,大概有30% 的工艺步骤是为了清洗硅片或做硅片表面准备。
 
  什么是半导体超纯水
 
  半导体所用的水是洁净度超高的“超纯水”。当然,这里的水指的并不是我们日常生活中的自来水,而是“超纯水”。
 
  超纯水是指电阻率达到18 MΩ*cm(25℃)的水。这种水中除了水分子外,几乎没有什么杂质,更没有细菌、病毒、含氯二噁英等有机物,也没有人体所需的矿物质微量元素,也就是几乎去除氧和氢以外所有原子的水。
 
  我们拿医用纯水来对比了解一下半导体级超纯水标准有多严苛:

 

 
  如何制备半导体纯水

 

 
  半导体制程犹如一只“水老虎”,无论是光刻熏蒸,曝光显影,高温扩散还是湿法刻蚀,都需要消耗大量的超纯水。超纯水的制备,需要滤除的,除了会造成硅片表面缺陷的微小固体颗粒物,还有金属离子、气泡和细菌有机物三大类污染物。

 

 

 

  金属离子 
  影响器件的阈 
  值电压
  气泡 
  干扰硅片的氧 
  化覆膜
  细菌有机物 
  引起PN结短路 
  漏电
 
 
    
  简单来说,半导体工厂制备超纯水就是先把自来水制成纯水,再将纯水制成超纯水
 
  过滤首先滤除的是固体颗粒、悬浮物和胶体,使用多介质过滤器和超滤设备将这些杂质去除,同时加入活性炭过滤器,吸附有机物, 用亚硫酸氢钠,去除游离氯等氧化性物质。
 
  完成初步过滤后,还要进行2次反渗透过滤,进行脱盐,以去除水中各种无机盐 ,以及逃出的有机物和微生物。至此,预处理完成。
 
  在预处理之后,进入主处理阶段。此阶段除了前面的过滤和逆渗透压,还包括紫外灯照射灭菌,和氧化分解有机物,进一步降低水体中的有机碳成分 。同时还需要连续电解除盐技术,来解决水中剩余的阴阳离子。最后用真空除气机,和去 除水中的各类溶解气体。到这里,自来水已经变成了纯水,暂时储存在充满氮气的纯水罐中,
 
  从纯水到超纯水,需要进行“水抛光”处理,简单来说就是重复前面2步的操作,把之前使用过的各类净水装置继承到一个密闭的管道系统中,让纯水在改系统中高速循环,在使用点设置阀门,需要使用时即可取出。
 
  制备超纯水过滤解决方案

 

 
  基于半导体超纯水对芯片生产的重要程度且需求量之大,在在制备半导体级超纯水时如何选择过滤材料,成为厂家非常关心的问题。
 
  预处理:微滤过滤工艺标准。微滤能截留0.1~1微米之间的颗粒,微滤膜允许大分子有机物和无机盐等通过,但能阻挡住悬浮物、细菌、部分病毒及大尺度的胶体的透过。其最主要的器材是微滤膜。一般净水器的第一级PP棉滤芯,精度都为5μm。
 
  HF系列——大流量折叠滤芯

 

 
  HF系列大流量滤芯采用深层精细聚丙烯纤维膜为主过滤层,拥有6"大直径,单向开口由内到外的液体流向,保证颗粒物拦截在滤芯内部,超大流量的设计,减少滤芯和过滤器的使用量,节约了设备投入成本,适应超纯水预过滤需求。
 
  主处理:超滤标准过滤工艺。超滤微孔为0.01微米,能滤除水中的细菌、铁锈、胶体等有害物质,同时配合水系脱气模组,滤除水中的O2和CO2气泡。
 
  SAA系列——折叠滤芯

 

 
  SAA系列折叠滤芯针对高流量要求使用场合。高度非对称的PS滤膜结构为滤芯提供了高流量、高纳污量和稳定的截留效率,实验证明,SAA系列滤芯寿命远大于普通PS产品,大大降低了滤芯更换周期。
 
  精制处理:纳滤精度过滤工艺标准。纳滤是一种介于反渗透和超滤之间的压力驱动膜分离过程,纳滤膜的孔径范围在几个纳米左右。纳滤膜大多从反渗透膜衍化而来,是膜分离技术的一种新兴领域,其分离性能介于反渗透和超滤之间,允许一些无机盐和某些溶剂透过膜,从而达到分离的效果。
 
  SAB系列——高精度折叠滤芯

 

 
  SAB高精度系列折叠滤芯,选用高精度PES滤膜结构在保证高流量、高纳污量的同时提供很高的截留效率,HDPE骨架具有良好的化学兼容性及低金属残留。
 
  脱气模组——大流量折叠滤芯

 

 
  水体系中的脱气膜组件采用Darlly的超疏水改性PP制成的中空纤维膜结构,可进行PPB级别的脱气要求,也可极限脱除,具有高通量,高脱气效率的特点,在超纯水中去除O2和CO2有着广泛的应用。

 

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