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造一塊芯片需要多少水?

更新時間:2022-12-21瀏覽:2954次

  前不久,美國總統拜登簽署了《2022芯片與科學法案》,不僅加大投入試圖提升美國的芯片技術研發和制造能力,同時還設置“中國護欄”條款,試圖逼迫芯片企業選邊站隊,限制企業在中國芯片產業的發展。事實上,中國芯片產業被卡脖子由來已久,原料、技術、供應鏈等方方面面深受外國掣肘,甚至是我們最常見的“水”。
 
  耗水的半導體產業
 
  半導體行業是一個非常耗水資源的行業,一塊2g重的芯片,大概需要耗水32kg,一張12寸的硅片,需要耗水8噸,許多半導體行業的企業,如臺積電,一天要用掉15萬噸水,英特爾,一年要用掉3400萬噸水,等于每年吸干2.5個西湖。一個大型Fab工廠,在半導體制造過程中每天需使用5~6萬噸水,接近一個百萬人口城市每天的用水量,這也是為什么在環保要求苛刻的歐洲,至今沒有規模化的半導體制程工廠的原因。
 
  水在半導體制程工藝中,主要用在清洗工藝中,占總用水量的75%,其他作用還包括,冷凝塔用水,廢棄處理用水。
 
  清洗是半導體制造過程中使用最多的工藝步驟之一。據估計,大概有30% 的工藝步驟是為了清洗硅片或做硅片表面準備。
 
  什么是半導體超純水
 
  半導體所用的水是潔凈度超高的“超純水”。當然,這里的水指的并不是我們日常生活中的自來水,而是“超純水”。
 
  超純水是指電阻率達到18 MΩ*cm(25℃)的水。這種水中除了水分子外,幾乎沒有什么雜質,更沒有細菌、病毒、含氯二噁英等有機物,也沒有人體所需的礦物質微量元素,也就是幾乎去除氧和氫以外所有原子的水。
 
  我們拿醫用純水來對比了解一下半導體級超純水標準有多嚴苛:

 

 
  如何制備半導體純水

 

 
  半導體制程猶如一只“水老虎”,無論是光刻熏蒸,曝光顯影,高溫擴散還是濕法刻蝕,都需要消耗大量的超純水。超純水的制備,需要濾除的,除了會造成硅片表面缺陷的微小固體顆粒物,還有金屬離子、氣泡和細菌有機物三大類污染物。

 

 

 

  金屬離子 
  影響器件的閾 
  值電壓
  氣泡 
  干擾硅片的氧 
  化覆膜
  細菌有機物 
  引起PN結短路 
  漏電
 
 
    
  簡單來說,半導體工廠制備超純水就是先把自來水制成純水,再將純水制成超純水
 
  過濾首先濾除的是固體顆粒、懸浮物和膠體,使用多介質過濾器和超濾設備將這些雜質去除,同時加入活性炭過濾器,吸附有機物, 用亞硫酸氫鈉,去除游離氯等氧化性物質。
 
  完成初步過濾后,還要進行2次反滲透過濾,進行脫鹽,以去除水中各種無機鹽 ,以及逃出的有機物和微生物。至此,預處理完成。
 
  在預處理之后,進入主處理階段。此階段除了前面的過濾和逆滲透壓,還包括紫外燈照射滅菌,和氧化分解有機物,進一步降低水體中的有機碳成分 。同時還需要連續電解除鹽技術,來解決水中剩余的陰陽離子。最后用真空除氣機,和去 除水中的各類溶解氣體。到這里,自來水已經變成了純水,暫時儲存在充滿氮氣的純水罐中,
 
  從純水到超純水,需要進行“水拋光”處理,簡單來說就是重復前面2步的操作,把之前使用過的各類凈水裝置繼承到一個密閉的管道系統中,讓純水在改系統中高速循環,在使用點設置閥門,需要使用時即可取出。
 
  制備超純水過濾解決方案

 

 
  基于半導體超純水對芯片生產的重要程度且需求量之大,在在制備半導體級超純水時如何選擇過濾材料,成為廠家非常關心的問題。
 
  預處理:微濾過濾工藝標準。微濾能截留0.1~1微米之間的顆粒,微濾膜允許大分子有機物和無機鹽等通過,但能阻擋住懸浮物、細菌、部分病毒及大尺度的膠體的透過。其最主要的器材是微濾膜。一般凈水器的第一級PP棉濾芯,精度都為5μm。
 
  HF系列——大流量折疊濾芯

 

 
  HF系列大流量濾芯采用深層精細聚丙烯纖維膜為主過濾層,擁有6"大直徑,單向開口由內到外的液體流向,保證顆粒物攔截在濾芯內部,超大流量的設計,減少濾芯和過濾器的使用量,節約了設備投入成本,適應超純水預過濾需求。
 
  主處理:超濾標準過濾工藝。超濾微孔為0.01微米,能濾除水中的細菌、鐵銹、膠體等有害物質,同時配合水系脫氣模組,濾除水中的O2和CO2氣泡。
 
  SAA系列——折疊濾芯

 

 
  SAA系列折疊濾芯針對高流量要求使用場合。高度非對稱的PS濾膜結構為濾芯提供了高流量、高納污量和穩定的截留效率,實驗證明,SAA系列濾芯壽命遠大于普通PS產品,大大降低了濾芯更換周期。
 
  精制處理:納濾精度過濾工藝標準。納濾是一種介于反滲透和超濾之間的壓力驅動膜分離過程,納濾膜的孔徑范圍在幾個納米左右。納濾膜大多從反滲透膜衍化而來,是膜分離技術的一種新興領域,其分離性能介于反滲透和超濾之間,允許一些無機鹽和某些溶劑透過膜,從而達到分離的效果。
 
  SAB系列——高精度折疊濾芯

 

 
  SAB高精度系列折疊濾芯,選用高精度PES濾膜結構在保證高流量、高納污量的同時提供很高的截留效率,HDPE骨架具有良好的化學兼容性及低金屬殘留。
 
  脫氣模組——大流量折疊濾芯

 

 
  水體系中的脫氣膜組件采用Darlly的超疏水改性PP制成的中空纖維膜結構,可進行PPB級別的脫氣要求,也可極限脫除,具有高通量,高脫氣效率的特點,在超純水中去除O2和CO2有著廣泛的應用。

 

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