所有晶圓廠都消耗大量超純水——根據(jù)國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖 (ITRS)（2011 年），設(shè)備晶圓廠每個晶圓使用 7 升/厘米2的超純水。這意味著每月處理 20,000 個晶圓的典型 200 毫米晶圓廠每天最多可使用 3,000 m 3的超純水。這相當于一個 20,000 人社區(qū)的日常用水量。因此，將原水轉(zhuǎn)化為超高純度水對于所有半導(dǎo)體工廠來說都是一項重要且成本高昂的活動。由于高生產(chǎn)成本和大批量需求，行業(yè)內(nèi)不斷做出重大努力來減少 UPW 的使用。2015 年 ITRS 路線圖中將2020 年的 ITRS 使用目標定為 4.5 升/cm 2 。

超純水通常使用反滲透/去離子樹脂床技術(shù)生產(chǎn)；然而，隨著器件線寬不斷縮小，半導(dǎo)體應(yīng)用對水純度的要求預(yù)計將超出當前生產(chǎn)技術(shù)的能力。事實上，超純水離子污染物的現(xiàn)代半導(dǎo)體標準非常嚴格，以至于某些分析超出了可用分析工具的檢測限。本節(jié)將使讀者基本了解 UPW 系統(tǒng)的設(shè)計元素和功能。我們將討論主要的超純水參數(shù)、超純水的處理順序，并提供主要處理步驟的一些細節(jié)。

為超純水的質(zhì)量控制監(jiān)測了幾個參數(shù)。表 1 列出了這些參數(shù)、它們的測量點和測量方法。下文簡要討論了主要污染物種類、超純水中污染物水平的控制方法及其典型的規(guī)定限值。

• ICP-MS - 電感耦合等離子體 - 質(zhì)譜
• LC——液相色譜
• GC——氣相色譜
• MS - 質(zhì)譜法
• SEM - 掃描電子顯微鏡
• GFAAS - 石墨爐原子吸收光譜
• LC-OCD-液相色譜-有機碳檢測

表 1。UPW 參數(shù)、測量點和方法。

電阻率：這是以兆歐姆厘米或 Mohm-cm 為單位測量的。UPW 中的低離子污染物濃度會產(chǎn)生高電阻率值。具有零離子污染的 UPW 的理論上限為 18.25 Mohm-cm。2015 年國際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖 (ITRS) 的 25°C 超純水電阻率指南 >18.0 Mohm-cm。

總可氧化碳 (TOC)：超純水的 TOC 以十億分之一 (ppb) 為單位測量。UPW 中的可氧化碳來源于原水中的無機（即礦物碳酸鹽）和有機（包括生物和人為污染物）碳污染。通常，采用反滲透 (RO)、離子交換、紫外線照射和脫氣來將 UPW 中的 TOC 降低到可接受的水平。UPW 中可容忍的 TOC 水平可能因應(yīng)用而異；然而，大多數(shù)應(yīng)用需要非常低的碳含量。例如，在浸沒式光刻中避免鏡頭霧化所需的 TOC 水平一直是該規(guī)范的最新驅(qū)動因素，指定使用點水平 <1.0 ppb 以獲得可接受的性能。TOC 的 ITRS 指南是 <1.0 ppb。

溶解氧 (DO)： DO 使用電化學(xué)電池測量。通常，現(xiàn)代晶圓廠中的溶解氧水平低于 5 ppb。在膜接觸器系統(tǒng)中使用真空脫氣從 UPW 中去除溶解氧。

顆粒物：原水源含有大量顆粒物。使用預(yù)過濾器和微過濾器去除微米級以上的顆粒，然后使用越來越細的過濾器對水進行拋光，以去除直徑低至約 0.2 微米的顆粒。10,000 分子量的超濾用于去除超過該點的殘留顆粒。UPW 的顆粒規(guī)格因晶圓廠應(yīng)用而異；一般來說，任何設(shè)備制造都不能容忍大于 0.2 微米的顆粒，對于直徑小于 0.05 微米的顆粒，每升的顆粒數(shù)有明確的限制。超純水的當前 ITRS 指南是 <0.3 顆粒/毫升 @ 0.05 微米顆粒直徑。行業(yè)目標雄心勃勃；已經(jīng)對 < 的順序的規(guī)范提出了建議 直徑大于 10 nm 的顆粒為 10 個/ml，該規(guī)格目前業(yè)界無法測量，更不用說控制了。除了散裝 UPW 中的微粒去除外，工廠環(huán)境中還經(jīng)常采用使用點 (POU) 超濾。顆粒計數(shù)通常使用激光散射來測量。

細菌：一些細菌可以在 UPW 處理過程中存活下來，這些細菌對集成設(shè)備構(gòu)成生物和微粒威脅。細菌粘附在水中自然發(fā)生，因為管壁會吸引微量的有機營養(yǎng)物，這些營養(yǎng)物附著在管壁上并啟動生物膜過程。雖然一些設(shè)施采用定期消毒程序并提供防止微生物活動的保護措施，但生物膜可以證明具有抵抗力，并可能永久覆蓋閥門和死角的難以接近的表面。正確的系統(tǒng)設(shè)計和足夠的流速比定期消毒更重要，以保持系統(tǒng)的清潔度。

目前，UPW 中的細菌和其他生物測試采用培養(yǎng)方法來測試活細菌并將水平確定為“菌落形成單位/升”或 cfu/升。這些方法缺乏敏感性，因為只能回收活細菌，并且可能需要對大量水進行采樣以提供足夠的可靠性（例如，<1 cfu/升不能用 100 毫升樣品測量）。一種稱為 Scan RDI 的新技術(shù)可能會提供一種測試總活生物體的解決方案。該方法能夠根據(jù)對細胞活性的直接測量來檢測單個細胞，包括可能存在于生物膜中的細菌和其他活生物體。另一種細菌檢測方法是落射熒光法，其中，技術(shù)人員使用顯微鏡從視覺上識別已被染料染色的活細菌和非活細菌，這些染料會導(dǎo)致生物材料在紫外線下發(fā)出熒光。使用這種方法，熟練的顯微鏡技術(shù)人員可以確定有關(guān) UPW 中細菌的許多定性和定量信息。ITRS 推薦的 UPW 細菌污染規(guī)格為 <1/1000 ml（通過培養(yǎng)）。

二氧化硅：二氧化硅通常以 ppb 為單位測量，以硅酸鹽和聚合（或膠體）二氧化硅的形式存在于 UPW 系統(tǒng)的進水中。二氧化硅的粗略去除通常發(fā)生在水凈化的反滲透步驟中，最后使用陰離子交換樹脂床去除殘留的二氧化硅，然后進行超濾。通常，UPW 中總二氧化硅的限制規(guī)格對于溶解硅酸鹽為 0.2 - 1.0 ppb，對于膠體二氧化硅為 0.3 - 2.0 ppb。

離子和金屬：超純水系統(tǒng)進水中溶解的固體由陽離子（主要是金屬）和陰離子的電荷平衡混合物組成。這些雜質(zhì)在離子交換樹脂床中被去除。UPW 中可接受的離子和金屬濃度范圍在 0.02 和 1 ppb 之間，具體取決于物種和應(yīng)用。UPW 單元操作：圖 1 提供了典型 UPW 系統(tǒng)中單元操作的示意圖。