所有晶圆厂都消耗大量超纯水——根据国际半导体技术路线图 (ITRS)（2011 年），设备晶圆厂每个晶圆使用 7 升/厘米2的超纯水。这意味着每月处理 20,000 个晶圆的典型 200 毫米晶圆厂每天最多可使用 3,000 m 3的超纯水。这相当于一个 20,000 人社区的日常用水量。因此，将原水转化为超高纯度水对于所有半导体工厂来说都是一项重要且成本高昂的活动。由于高生产成本和大批量需求，行业内不断做出重大努力来减少 UPW 的使用。2015 年 ITRS 路线图中将2020 年的 ITRS 使用目标定为 4.5 升/cm 2 。

超纯水通常使用反渗透/去离子树脂床技术生产；然而，随着器件线宽不断缩小，半导体应用对水纯度的要求预计将超出当前生产技术的能力。事实上，超纯水离子污染物的现代半导体标准非常严格，以至于某些分析超出了可用分析工具的检测限。本节将使读者基本了解 UPW 系统的设计元素和功能。我们将讨论主要的超纯水参数、超纯水的处理顺序，并提供主要处理步骤的一些细节。

为超纯水的质量控制监测了几个参数。表 1 列出了这些参数、它们的测量点和测量方法。下文简要讨论了主要污染物种类、超纯水中污染物水平的控制方法及其典型的规定限值。

• ICP-MS - 电感耦合等离子体 - 质谱
• LC——液相色谱
• GC——气相色谱
• MS - 质谱法
• SEM - 扫描电子显微镜
• GFAAS - 石墨炉原子吸收光谱
• LC-OCD-液相色谱-有机碳检测

表 1。UPW 参数、测量点和方法。

电阻率：这是以兆欧姆厘米或 Mohm-cm 为单位测量的。UPW 中的低离子污染物浓度会产生高电阻率值。具有零离子污染的 UPW 的理论上限为 18.25 Mohm-cm。2015 年国际半导体技术路线图 (ITRS) 的 25°C 超纯水电阻率指南 >18.0 Mohm-cm。

总可氧化碳 (TOC)：超纯水的 TOC 以十亿分之一 (ppb) 为单位测量。UPW 中的可氧化碳来源于原水中的无机（即矿物碳酸盐）和有机（包括生物和人为污染物）碳污染。通常，采用反渗透 (RO)、离子交换、紫外线照射和脱气来将 UPW 中的 TOC 降低到可接受的水平。UPW 中可容忍的 TOC 水平可能因应用而异；然而，大多数应用需要非常低的碳含量。例如，在浸没式光刻中避免镜头雾化所需的 TOC 水平一直是该规范的最新驱动因素，指定使用点水平 <1.0 ppb 以获得可接受的性能。TOC 的 ITRS 指南是 <1.0 ppb。

溶解氧 (DO)： DO 使用电化学电池测量。通常，现代晶圆厂中的溶解氧水平低于 5 ppb。在膜接触器系统中使用真空脱气从 UPW 中去除溶解氧。

颗粒物：原水源含有大量颗粒物。使用预过滤器和微过滤器去除微米级以上的颗粒，然后使用越来越细的过滤器对水进行抛光，以去除直径低至约 0.2 微米的颗粒。10,000 分子量的超滤用于去除超过该点的残留颗粒。UPW 的颗粒规格因晶圆厂应用而异；一般来说，任何设备制造都不能容忍大于 0.2 微米的颗粒，对于直径小于 0.05 微米的颗粒，每升的颗粒数有明确的限制。超纯水的当前 ITRS 指南是 <0.3 颗粒/毫升 @ 0.05 微米颗粒直径。行业目标雄心勃勃；已经对 < 的顺序的规范提出了建议 直径大于 10 nm 的颗粒为 10 个/ml，该规格目前业界无法测量，更不用说控制了。除了散装 UPW 中的微粒去除外，工厂环境中还经常采用使用点 (POU) 超滤。颗粒计数通常使用激光散射来测量。

细菌：一些细菌可以在 UPW 处理过程中存活下来，这些细菌对集成设备构成生物和微粒威胁。细菌粘附在水中自然发生，因为管壁会吸引微量的有机营养物，这些营养物附着在管壁上并启动生物膜过程。虽然一些设施采用定期消毒程序并提供防止微生物活动的保护措施，但生物膜可以证明具有抵抗力，并可能永久覆盖阀门和死角的难以接近的表面。正确的系统设计和足够的流速比定期消毒更重要，以保持系统的清洁度。

目前，UPW 中的细菌和其他生物测试采用培养方法来测试活细菌并将水平确定为“菌落形成单位/升”或 cfu/升。这些方法缺乏敏感性，因为只能回收活细菌，并且可能需要对大量水进行采样以提供足够的可靠性（例如，<1 cfu/升不能用 100 毫升样品测量）。一种称为 Scan RDI 的新技术可能会提供一种测试总活生物体的解决方案。该方法能够根据对细胞活性的直接测量来检测单个细胞，包括可能存在于生物膜中的细菌和其他活生物体。另一种细菌检测方法是落射荧光法，其中，技术人员使用显微镜从视觉上识别已被染料染色的活细菌和非活细菌，这些染料会导致生物材料在紫外线下发出荧光。使用这种方法，熟练的显微镜技术人员可以确定有关 UPW 中细菌的许多定性和定量信息。ITRS 推荐的 UPW 细菌污染规格为 <1/1000 ml（通过培养）。

二氧化硅：二氧化硅通常以 ppb 为单位测量，以硅酸盐和聚合（或胶体）二氧化硅的形式存在于 UPW 系统的进水中。二氧化硅的粗略去除通常发生在水净化的反渗透步骤中，最后使用阴离子交换树脂床去除残留的二氧化硅，然后进行超滤。通常，UPW 中总二氧化硅的限制规格对于溶解硅酸盐为 0.2 - 1.0 ppb，对于胶体二氧化硅为 0.3 - 2.0 ppb。

离子和金属：超纯水系统进水中溶解的固体由阳离子（主要是金属）和阴离子的电荷平衡混合物组成。这些杂质在离子交换树脂床中被去除。UPW 中可接受的离子和金属浓度范围在 0.02 和 1 ppb 之间，具体取决于物种和应用。UPW 单元操作：图 1 提供了典型 UPW 系统中单元操作的示意图。