Nước siêu tinh khiết và vai trò quan trọng của nó trong sản xuất chất bán dẫn

Nước siêu tinh khiết đóng vai trò quan trọng trong nhiều quy trình sản xuất chất bán dẫn. Độ tinh khiết và chất lượng của nước là yếu tố cần thiết để có được thiết bị chế tạo tối ưu. Nước này cần thiết cho mọi hoạt động từ điều hòa bề mặt và rửa sạch cho đến làm sạch tấm bán dẫn.

Trong nhiều ngành công nghiệp trên thế giới, nước siêu tinh khiết được sử dụng để đảm bảo các chất gây ô nhiễm không ảnh hưởng đến các quy trình khác nhau. Nước siêu tinh khiết đã trở nên cực kỳ phổ biến trong ngành công nghiệp bán dẫn trong quá trình sản xuất. Nó được sử dụng trong hầu hết các giai đoạn sản xuất chất bán dẫn

Nước đầu vào được xử lý nhất quán cho đến khi nước không còn chất gây ô nhiễm. Các công nghệ xử lý nước mà cơ sở sử dụng được thiết kế để loại bỏ vi sinh vật, khoáng chất, hóa chất hữu cơ và các chất gây ô nhiễm khác.

Tầm quan trọng của nước siêu tinh khiết trong chế tạo thiết bị bán dẫn

Nước siêu tinh khiết là cần thiết khi chế tạo thiết bị. Quá trình chế tạo thiết bị bao gồm nhiều bước, hầu hết sử dụng nước siêu tinh khiết. Ví dụ xử lý dung môi, làm sạch wafer, làm phẳng cơ học hóa học đều dựa vào nước siêu tinh khiết. Trong quá trình sản xuất thiết bị, một lượng lớn nước được tiêu thụ cho từng quy trình riêng lẻ nêu trên. Để có được nước siêu tinh khiết nước bị ô nhiễm phải được xử lý bằng công nghệ mạnh.

Quá trình làm phẳng cơ học hóa học tiêu thụ nhiều nước siêu tinh khiết nhất. Kỹ thuật sản xuất này dựa vào mài mòn cơ học và oxy hóa học để đánh bóng bề mặt và loại bỏ một số vật liệu nhất định.

Mọi nhà máy sản xuất chất bán dẫn đều sử dụng một lượng lớn nước siêu tinh khiết, khiến hoạt động này trở nên tốn kém đáng kể. Hơn một thập kỷ trước, các nhà máy sản xuất thiết bị sử dụng khoảng 7 lít/cm² nước siêu tinh khiết cho mỗi tấm bán dẫn xuất ra, điều đó có nghĩa là một nhà máy bán tấm bán dẫn 200mm sản xuất khoảng 20000 tấm bán dẫn mỗi tháng sẽ sử dụng tới 3000m³ nước siêu tinh khiết mỗi ngày, lượng nước này đủ để đáp ứng nhu cầu của một cộng đồng lớn gồm 20000 người. Ngày nay các quy trình sản xuất bán dẫn đòi hỏi khắt khe hơn nên thậm chí còn sử dụng nhiều nước hơn.

Vì vậy tất cả các nhà máy sản xuất thiết bị đều sử dụng một lượng nước đáng kể và chi một khoản tiền lớn để xử lý nước nên đều nỗ lực nhằm giảm lượng nước siêu tinh khiết cần thiết cho sản xuất chất bán dẫn. Khi các công nghệ mới được giới thiệu ra thị trường, rất có thể những cải tiến sẽ cho phép các nhà máy sử dụng nước siêu tinh khiết hiệu quả hơn.

Các thông số và kiểm soát chất lượng nước siêu tinh khiết

Để đảm bảo nước đủ sạch để được phân loại “siêu tinh khiết” nhiều thông số khác nhau được theo dõi trong và sau quá trình xử lý. Các thông số này bao gồm:

• Điện trở suất
• Oxy hòa tan (DO)
• Tổng lượng cacbon có thể oxy hóa (TOC)
• Vi khuẩn
• Ion
• Kim loại
• Silic
• Hạt vật chất

Mỗi thông số này đều có phương pháp đo cụ thể cũng như các giới hạn cụ thể. Bằng cách theo dõi các đặc tính này và đảm bảo chúng đều nằm trong phạm vi lý tưởng có thể đảm bảo độ tinh khiết và chất lượng nước siêu tinh khiết. Các phương pháp thử nghiệm khác nhau được sử dụng để giám sát nhiều chỉ tiêu trên như:

• Tổng số silica – plasma kết hợp cảm ứng hoặc GFAAS
• Ion hữu cơ – sắc ký ion
• Giám sát hạt – Tán xạ ánh sáng trực tuyến
• Các chất hữu cơ khác – Sắc ký khí hoặc sắc ký lỏng
• Anion, cation và kim loại: Sắc ký ion hoặc plasma kết hợp cảm ứng
• Oxy hòa tan – tế bào điện trực tuyến
• Đếm hạt – Kính hiển vi điện tử quét
• TOC – Độ dẫn điện

Điện trở suất thường được đo bằng Mohm-cm (MΩ.cm). Nếu nồng độ trong nước siêu tinh khiết thấp, bạn sẽ nhận dược kết quả có điện trở suất cao. Khi không có ô nhiễm ion trong nước, số đọc cao nhất có thể nhận được là 18,25 MΩ.cm.

Để đạt nước có độ siêu tinh khiết cao, người ta sử dụng các hạt trao đổi ion hỗn hợp (còn gọi là hạt mixbed) như: Trilite UPRM200U  – Tulsion MB1518 thay thế cho hạt UCW3700 trước kia

Đối với TOC đơn vị đo ppb (phần tỷ) Dạng cacbon này xuất hiện trong nước siêu tinh khiết từ các chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ đến từ nước cấp thô. Có thể giảm mức TOC cho đến khi đạt tiêu chuẩn nước siêu tinh khiết bằng các phương pháp xử lý bằng đèn UV, thẩm thấu ngược RO và trao đổi ion. Phần lớn các ứng dụng bán dẫn yêu cầu hàm lượng cacbon thấp.

Oxy hòa tan chủ yếu được đo bằng pin điện hóa. Các phòng thí nghiệm chế tạo hiện đại cố gắng giữ mức oxy hòa tan dưới 5 ppb. Có thể loại bỏ oxy hòa tan khỏi nước để đạt đến mức cần thiết bằng quá trình khử khí chân không.

Tất cả các dạng nguồn nước thô đều có một lượng hạt vật chất nào đó trong đó. Bất kỳ hạt nào có kích thước lớn hơn micron đều có thể được loại bỏ khỏi nước bằng bộ vi lọc và bộ lọc trước. Có thể xử lý tiếp theo bằng các bộ lọc để loại bỏ các hạt nhỏ tới 0,2 micron. Ngay cả các hạt nhỏ hơn cũng có thể được loại bỏ bằng kỹ thuật siêu lọc. Trong sản xuất chất bán dẫn, các hạt lớn hơn 0,2 micron không thể có trong nước khi quá trình chế tạo thiết bị diễn ra.

Khi quan sát vi khuẩn, có thể một số vi khuẩn nhất định vẫn tồn tại trong nước ngay cả sau khi quá trình xử lý nước siêu tinh khiết diễn ra. Sự bám dính của vi khuẩn thường diễn ra trong nước vì thành ống mang theo một lượng nhỏ chất dinh dưỡng. Những chất dinh dưỡng này sẽ bám vào các bức tường xung quanh và bắt đầu quá trình tạo màng sinh học. Mặc dù có nhiều bước để ngăn chặn hoạt động của vi sinh vật nhưng rất khó để loại bỏ màng sinh học. Chúng có thể phủ vĩnh viễn một số khu vực nhất định mà không thể tiếp cận được.

Hệ thống xử lý nước siêu tinh khiết

Quá trình xử lý nước trong hệ thống nước siêu tinh khiết bao gồm tiền lọc, hệ thống lọc chính và hệ thống lọc tinh (hệ thống đánh bóng). Hệ thống tiền lọc được thiết kế để xử lý nước đầu vào, hệ thống sơ cấp cung cấp khả năng lọc bổ sung. Sau khi qua hệ thống lọc chính, hầu hết các chất ô nhiễm sẽ được loại bỏ khỏi nước. Hệ thống đánh bóng mang lại mức độ tinh chế cao nhất đáp ứng các thông số kỹ thuật của ngành bán dẫn.

Hệ thống tiền lọc bao gồm khử khoáng và thẩm thấu ngược. Những mảnh vụn lớn trong nước sẽ được lọc bởi bộ lọc. Các phương pháp xử lý bổ sung bao gồm natri bisulfite và than hoạt tính, cả 2 đều khử clo trong nước.

Hệ thống chính bao gồm moi thứ từ xử lý tia cực tím đến ion hóa lớp hỗn hợp. Oxy hòa tan có thể được loại bỏ ở giai đoạn này bằng quá trình khử khí chân không. Trong giai đoạn đánh bóng cuối cùng, trao đổi nhiệt và tia cực tím thường được sử dụng để duy trì nhiệt độ của nước, sau đó là quá trình trao đổi ion và quá trình siêu lọc.

Hạt mixbed được dùng trong các hệ thống siêu tinh khiết cho phép đạt điện trở suất 18,2