全球芯片半導體產業競爭的關鍵,不僅在于高端光刻機,還與半導體超純水密切相關。對于半導體產業而言,超純水的純度是確保高效生產的基石之一。在生產環節中,清洗步驟占據了整個芯片生產總步驟的三分之一,是芯片制造工藝步驟占比最大的工序,可以說整個清洗過程離不開超純水。隨著半導體制程向著更先進、更精細化方向發展,超純水工藝流程也更趨于復雜,使用高純度的超純水能夠保證半導體器件的穩定性和一致性,促進制程工藝的發展。隨著半導體產業發展的不斷深入,“先進超純水技術”將會持續引領半導體工藝的進步,成為半導體制造過程的關鍵保障之一。
由于半導體所用超純水生產工藝復雜,技術要求高,目前國際上能生產半導體超純水的企業并不多,全球范圍內,半導體超純水核心廠商主要包括栗田工業、奧加諾、沃威沃等。以高頻科技為代表的國內超純水頭部企業也奮勇爭先,攜先進技術進入超純水賽道,爭創半導體超純水工藝“芯”標準。
半導體超純水技術創新發展,本土企業競爭力不斷提升
半導體行業對超純水使用水質要求極高,除了電阻率要在18兆歐以上,還集中反映在總有機碳、溶解氣體、顆粒物、菌群落、溶解氣、金屬離子、硅元素、硼元素等參數上。在超純水生產過程中,只要微粒子、電阻率和TOC與氣泡中的某一指標稍有差異,就會使半導體元件生產的合格率下降。
毫無疑問,超純水的質量直接關系到半導體的質量。隨著半導體元件尺寸的縮小和精細度的提高,邁向5nm、3nm或甚至2nm半導體制程技術之路,超純水水質的技術要求不斷提高,超純水的制備工藝將更富挑戰性,各企業競相通過技術創新提升超純水工藝水平。
美國、日本等地區半導體產業起步早,與芯片生產有關的超純水領域發展也相對較早,這給了頭部企業沉淀技術,逐步掌握先進超純水制造工藝的契機。
以作為世界領先的水處理公司之一日本栗田工業為例,其超純水技術采用了反滲透、離子交換和電極反應等多種純化工藝,再加之高質量的耗材和設計優化等因素,可以將水處理到符合ASTM D5127標準的水平,廣泛應用于半導體、光伏、醫療、食品等各個領域。拿對水質要求最高的電子領域來說,栗田工業生產的電子級超純水純度值可以達到以下標準:電阻率超過18.2MΩ.cm,TOC小于0.5ppb,細菌、非真菌菌類、微生物數量小于1CFU/ml。
聚焦國際化標準,本土超純水企業不斷提高創新能力與競爭力,交出亮眼的答卷。在超純水技術及水質指標方面,國內超純水領域佼佼者高頻科技,其制備出的超純水水質同樣符合國際標準,甚至多項技術指標比國際標準要求更加嚴苛。如ASTM超純水標準要求超純水溶解硅(ug/L)≤ 1,總有機碳(ug/L)≤ 5,硼(ug/L)≤0.05,而高頻科技超純水水質達到以下標準:溶解硅(ug/L)< 0.3,總有機碳(ug/L)≤< 0.5,硼(ug/L)< 0.005。
高頻科技超純水工藝達到高標準,賦能半導體高質量生產
超純水技術標準作為半導體工業生產的重要基石,為半導體產業提供了可靠的技術支持和質量保證。同時,也為超純水行業提供了指導性和標準化的方向。
為滿足半導體制程需求,我國于1997年制定了中國國家電子級超純水標準GBT11446.1-1997。該標準規定,電阻率MΩ•cm(25℃)≥ 18,細菌個數(個/mL)≤ 0.01,全硅(ug/L)≤ 2,總有機碳(ug/L)≤ 20。2013年,我國再次推出中國國家電子級超純水標準GB/T 11446.1-2013,對超純水水質要求逐漸細化,增加了鐵、鉛元素、鎳等金屬元素指標的要求,同時增加了對有機物、微生物的限制標準和測試方法,以保證超純水的質量。
然而,隨著半導體工業的創新應用發展,我國電子級超純水標準GB/T 11446.1-2013已經無法滿足日益提高的制造需求。當前國際上較多采用美國材料試驗學會發布的電子學和半導體工業用超純水標準(ASTM D5127)。
對比而言,ATSM標準相對于我國電子級超純水標準GB/T 11446.1-2013在以下幾個方面要求更細化:金屬離子要求更低,如鐵、銅、鉛等元素,都要低于0.001 ppm,而GB/T 11446.1-2013的電子級超純水標準要求這些元素的含量低于0.01 ppm。對硅的含量要求更加嚴格,要求硅的含量低于0.005 ppm;而GB/T 11446.1-2013的電子級超純水標準則要求低于0.02 ppm。有機物和無機物含量要求更低,ASTM超純水標準關注水中的各種有機物和無機物的含量,而且對這些元素的要求更加嚴格,要求有機碳含量低于0.5 ppb,無機碳含量低于1 ppb等;而GB/T 11446.1-2013的電子級超純水標準則沒有明確這些指標。
高頻科技作為立足于超純工藝能力的工業級技術服務商,不斷探索超純水的絕對純度,從多介質過濾、活性炭吸附、離子交換、反滲透膜、紫外線殺菌、紫外線TOC去除,再到電滲析、超濾、鈉濾、真空脫氣塔、膜脫氣等,涵蓋不止于18項專業處理工藝環節不斷提升超純水系統的應用效率,并在反滲透、離子交換、膜脫氣、紫外線殺菌和TOC降解等多項關鍵技術產品材料中也有著行業性的應用創新成果。高頻科技產水水質接近絕對純度,電導率無限接近18.24MΩ的理論極限值,其純度可達99.9999999999%(PPT級別——萬億分之一),滿足半導體工業發展對超純水日趨嚴格的要求。
具體而言,高頻科技超純水制備標準如下:電阻率(25攝氏度)≥18.24MΩ·厘米;總有機碳小于0.5微克/升; 溶解氧小于1微克/升;大于0.05微米的微粒每升小于100個;細菌含量小于1/100毫升;總硅含量小于0.5微克/升;溶解硅含量小于0.3微克/升; 硼含量小于0.005微克/升。
在半導體制造企業對降本增效愈加重視的背景下,高頻科技依托自有優秀半導體水系統專家,在確保超純水水質純度穩定達標的基礎之上,研發交付了超過30種可選回用水工藝技術,已實現水制程回收率達75%-90%,讓每一滴超純水都可以循環再利用,以資源利用率提升幫助企業降本增效。
經過二十多年的技術積累和更迭進步,高頻科技已經掌握了先進半導體制程所需的超純水全部核心工藝,長期服務于半導體領域的頂級客戶,提供領先的超純水與循環再生解決方案及裝備,賦能半導體高質量發展。
縱觀超純水發展歷史,半導體行業成為當之無愧的增長極,龐大市場需求為超純水產業發展注入強勁而持續的動力。在巨頭搶灘第三代半導體的當下,坐擁先進超純工藝的企業迎來新的發展機會。對國內超純水企業而言,只有堅持技術創新,不斷推進工藝升級,爭創超純水“芯”標準,才能把握好半導體發展帶來的挑戰和機遇。
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