上海新傲科技北区新项目25M3/H超纯水工程设计

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摘要：新傲科技公司SOI “绝缘衬底上的硅” （02国家专项）北区新项目超纯水站设计思想及设备选型，其中在极大规模集成电路中硼的脱除、EDI产水水质并与混床技术比较、降低总有机碳（TOC）和溶氧去除的技术、超纯水不同处理阶段中管材的选用以及配管施工中减少污染的措施，提出了解决方案。经过1年多的稳定运行表明，所采取的方法可靠、有效、环保，值得在类似工程中借鉴、运用。

关键词：超纯水;去硼;EDI;总有机碳;配管

Abstract: The new Ao technology company SOI "Silicon on insulator (02" national special) north of new projects ultra pure water station design and equipment selection, removal, which in a great scale integrated circuit of boron in the EDI product water quality and compared, and the mixed bed technology to reduce the total organic carbon (TOC) and the dissolved oxygen removal technology, ultra pure water pipes of different processing stage and measures to reduce pollution in the piping construction, proposed the solution. After the show the stable operation of more than 1 years, the approach taken is reliable, efficient, environmental protection, it is worth using for reference, use in similar projects.

Key words: ultra-pure water; to boron; EDI; total organic carbon; piping

中图分类号：TV213.9 文献标识码：A 文章编号：

1引言

上海新傲科技是中国唯一SOI(绝缘衬底上的硅)产业化基地，2010年12月底竣工并投入生产的“极大规模集成电路制造设备及成套工艺”项目（02国家专项），依据8英寸Fab厂的要求用于生产、清洗工艺。其水量为25m3/H（2期为50M3/H，24h/D，365天连续运行），原水水质为城市自来水，生产工艺用水水质指标（超滤出口）见表1. 出水压力为>0.3Mpa

表1 出水水质主要指标

2工艺流程及设备选型

整套系统设计要求简洁可靠、操作简单方便、维护时不影响系统运行、原水水质出现波动时不影响产生品质、运行能耗费用低等特点。

电子工业用水中的硅对大规模集成电路的材料，器件性能和成品率有很大的影响[1],它会降低热生长的氧化物的可靠性，造成磷硅雾阀值电压变化等离子刻蚀，也会形成颗粒污染而影响图形缺陷[2]，在半导体生产工艺中硼是P型杂质过量会使n型硅反型，对电子空穴浓度有影响[3]。因此在水站工艺设计时要重点考虑硅、硼元素的脱除。根据各工段得作用机理，超纯水工艺流程设备基本可分为3部分，第一部分预处理、第二部分制备系统、第三部分polish（终端精处理）系统。系统工艺简化流程如下：

预处理系统

预处理系统主要包括原水箱、提升泵、PAC加药、NaCLO加药、多介质过滤器、活性炭塔、NaHSO3加药、板式换热器、阻垢剂加药、保安过滤器。

PAC絮凝剂设计投加量为5--10PPM，NACLO投加量为5--10PPM，NaHSO3投加量通过ORP值来控制。阻垢剂的投加量为3--5PPM。加药系统采用电磁驱动隔膜计量泵，各加入点使用管道混合器使原水于药品快速充分混合。

多介质过滤器主要去除水中的悬浮物和胶体，通过管道混合使水中大部分悬浮物和胶体成微絮体在滤层中截留而去除。多介质过滤器为2台，每台规格为φ2200×H3500,每台过滤量为35m3/h,一用一备。将来水站扩充时只需再增加1组过滤器达到2用1备，现系统不需停机即可实现最终设计目标。

活性炭用于吸附自来水中的余氯及有机物，保证进RO水的余氯浓度在RO膜系统允许范围。活性炭塔为2台，每台规格为φ2200×H3500，一用一备。将来可扩充至2用1备。

通过以上设备及加药系统，预处理系统主要指标应保证出水SDI值

2.2 制备系统

针对系统的硼、硅和TOC及溶氧去除目标以及上海冬天枯水期水质波动问题，在确认工艺方案设计时，经充分比较几种方案和计算，最终确定为两级RO、TOC脱除、膜脱气装置、EDI去离子系统作为MAKEUP的工艺。此工艺应用于美国AMD Fab25中且效果优良

通常反渗透膜脱盐率在99.5%以上，但是对硼的去除率为80%左右。这主要是由于硼酸的分子直径小于反渗透的膜孔径，很容易通过反渗透膜进入产水，导致硼的去除率很低[4]。根据硼的水电离方程式B(OH)3 + H2O ⇌ B(OH)4− + H+ ，Ka = 5.8x10-10 mol dm-3; pKa = 9.24，随着溶液PH值的升高，反渗透除硼率也随之提高，是因为在碱性条件下硼酸与羟基生成B(OH)4−离子，从而被反渗透膜去除。通过级间加碱技术，调整PH值为9.5左右，达到除硼的目的，两级RO脱除率达88%。RO系统装置1期设计为2套，反渗透膜选用陶氏BW30-400，一级RO按3:2排列，每根压力容器装有5支膜，高压泵采用二用一备，每套产水量为21.9m3/h，回收率为75%（按2期总水量75%设计），根据终端用水量自动控制运行投入套数。这种方式便于将来的扩充，以及初期运行的稳定性（RO膜更换、系统反清洗时不用停机）。二级RO按2:1排列，每根压力容器装有5支膜，高压泵二用一备，每套产水量19.3m3/h，回收率为88%。2期只需各增加一套RO系统即可满足终端供水要求。

由于TOC引起器件最初的氧化速率增大一倍和缺陷密度增加[5]，因此对于8英寸线TOC的设计值相应小于3ppb。高浓度的TOC的去除以反渗透为主，欲使TOC降到ppb甚至亚ppb数量级,则需要UV氧化以及终端非再生抛光混床。由于长链有机物较易被UV氧化分解为CO2和H2O，故在一级UV氧化后需要脱气，至于短链有机物的分解，需多级UV氧化。UV技术中常用的波长是185nm和254nm两种。185nm波长的UV主要应用于TOC的去除，分解有机分子，同样可用于分解水分子为羟基，254nm波长的光主要用于消毒和除臭氧。此系统中的UV主要用于去除水中的有机物，故采用185nm的灯管。

设有一级脱氧装置一套，采用Liqui-cel品牌X-IND系列10″X 28″2支并联方式运行。除氧率为99.58%，出水含氧量

此水站工艺设计与传统工艺的不同之处在于工艺使用了EDI装置。传统的混床离子交换再生时消耗大量酸碱，操作管理不便，劳动强度大且污染环境。EDI装置是又称连续电除盐技术，它科学地将电渗析技术和离子交换技术融为一体，通过阳、阴离子膜对阳、阴离子的选择透过性作用以及离子交换树脂对水中离子的交换作用，并通过水电解产生的氢离子和氢氧根离子对装填树脂进行连续再生。因此，相比混床具有以下优点：（1）属于环保型，基本无化学废物排放；(2)可自行连续再生；（3）启动、运行和维护简单；（4）出水纯度高，其电阻率达15--18 MΩ.cm；（5）占地面积小，无渗漏设计，组件更换容易，无需停机；（6）回收率高，降低了Sio2和TOC指标，不受入口水质波动；（7）技术成熟，现国内外应用广泛。

EDI装置选用产水量单组为10.7m3/h的EDI模块，并联3块，回收率为95%，产水电阻率稳定在17.5 MΩ.cm，TOC

2.3 Polish系统(终端精处理系统)

终端精处理系统包括超纯水箱、超纯水输送泵、二级TOC去除、超纯一次抛光混床、超纯水增压泵、二级脱氧膜装置、超纯二次抛光混床、超滤装置、以及回收背压阀等。

超纯水箱需要熏蒸去油处理，熏蒸后，树脂里面的苯乙烯析出，以免影响水质。同时采取自动氮封，避免空气二次污染。二级TOC去除装置采用185nm波长，再次去除TOC，使之出水TOC

3 关键工艺设计思想及配管注意事项

3.1设备、管材、阀门的材质选择应确保水的纯度，管材阀门选用时首先考虑没有析出物。EDI前选用优质UPVC管道，高压泵与RO系统之间由于压力高所以需要采用SCH80的SUS304管及耐压2.0Mpa级的法兰。EDI至Polish系统间采用Clean-PVC材质。Polish主流程采用PVDF材质，阀门选用Clean-PVC或316SS材质。终端压力表、提升泵需选用禁油处理。

3.2采用避免滋长细菌TOC的管道接口，采用法兰连接时，垫片选用EPDM材质。UV进出口采用316SS金属弯头，避免紫外线对UPVC管道造成二次TOC析出。

3.3 Clean-PVC及PVDF管材配件施工时要求在洁净环境中进行，Clean-PVC采用专用胶水，管道切割时切口干净，管端需进行2—3mm倒角，避免胶水被刮入。PVDF管道全部采用焊接完成，施工时需要更严格洁净环境，法兰间密封材料采用PTFE。

4 总结

8英寸半导体Fab厂需要顶级的超纯水系统，由于产品及生产工艺的不同涉及诸多变动因素，因而有一定波动，除硼、TOC、系统稳定运行等、运行费用控制是其难点，安装、配管中要做到零污染。在经过仔细比较，考虑一次固定投资以及运行费用后，采用日本某水处理工程承包此项工程，最终实际出水水质完全符合工艺水质标准，系统运行稳定，操作维护方便，达到水站工程设计要求。此水处理工艺流程清晰，运行环保基本无化学污染，具有一定社会效益，并且运行维护费用较低。为类似的电子行业超纯水运行成本控制，工艺方案借鉴具有一定的作用。

参考文献：

[1] 闻瑞梅，王在忠。高纯水的制备与检测技术[M].北京，科学出版社，1996

[2] 沈健.电子工业高纯水技术进展[J],给水排水,1995(5):16-19.

[3] Malhotra S,Chan O,Chu T,et al.Correlation of boron breakthrough versus resistivity and dissolved silica in RO/DI system[J], Ultrapure water,1996,13(4):22-26

[4] Hoon yung Pranay Mane,Jess Arown.A mechanistic study on the boron rejection by seawater reverse osmosis membranes[A],2007 Asian Conference on Desalination &water Reuse[C].Qingdao china Desalination Association 2007

[5] Piter Burgglaf, Ultrapure water focus, semiconductor International, 1987, 10(6):32