纯水系统规划及基本设计.docx

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纯水系统规划及基本设计

PureWaterSystemPlanandBasicDesignGuide

纯水系统规划及基本设计作业指引

技术手册

高科技项目/水气化组

章节页次

1.0系统简介3

2.0设计准则22

3.0纯水系统设计重点29

4.0应研读之法规、标准、书籍或数据44

5.0附件45

1.0系统简介

1.1基本概念

1.超纯水之定义

DI=Deionized,DIWater=DeionizedWater，为去离子之意，亦即通称之纯水（PUREWATER），近来由于半导体制程对designrule之需求朝更精密更细小的趋势发展，因而对纯水水质的要求也越趋严格，在此一严格水质要求下所制造出来称之超纯水（Ultra-purewater）。

其狭义之意义：

为去离子之水，将水中之离子（如Na+、Ca++、Mg++、AI+++、C1-、F-、SO4--、NO3-、etc.）予以去除，降低其离子浓度，提高水之电阻值（Ω-cm）。

其广义之意义：

为除了除去水中离子之外，亦将水中之SiO2，Particles，Bacterizes，OrganicMatters，Microbiology一并予有限度的去除，使水达到完全纯净的程度，而用于电子工业之上。

2.纯水纯净度判定要项

（1）Resistively

（MΩ-cm）

（2）Particles

（PSC/cc）

（3）Bacteria

（COLONIES/100cc）

（4）T.D.S

（PPM）

（5）T.O.C

（PPB）

（6）S1O2

（PPB）

注：

T.D.S=TOTALDISSOLVEDSOLIDS

T.O.C=TOTALORGANICCARBON

3.纯水使用的场合

（1）实验室

（2）电子工业

（3）制药工业

4.水中不纯物包括如下

（1）D.S.（DISSLOVEDSOLID）

（2）S.S.（SUSPENDEDSOLID）

（3）ORGANICS

（4）MICROBIOLOGICS

（5）DISSOLVEDGAS

5.天然水的特性：

（1）地表水（LAKERIVER）：

较少含DISSOLVEDMINERAL，但含大量S.S.，有机物（树叶，生活污水等）andD.G.（来自大气和有机物的分解）。

（2）地下水（井水）：

较少含S.S.和D.G.但含较高的DISSOLVEDMINERAL（例如：

CaandSiO2）。

（3）自来水：

无菌、无色、无臭。

（若添加过量氯〝C12〞则会导致刺激性嗅味）

6.不纯物之测量

表一是一份参考的原水水质不纯物分析表，据此可决定如何适当设计净化设备以达到经济原则，近来的自然水（不含海水）所含不纯物总量已非常稀少，因此所分析出之不纯物以PPM（PARTSPERMILLION）或MILLIGRAMSPERLITER（MG/L）来表示。

根据化学原则某些矿酸盐及酸、碱类物质在水中解离成带电离子状态，倘通以电流会形成通路，若水中带离子越多则通过电流越大，亦即水中电阻极低。

TABLE2由电阻值-导电度及水中D.S.换算表得知，一但测得水中溶解固体离子之PPM值。

电阻值换算为PPM值通常是对标准液NaCl而言，因此当测得1PPM之D.S.并不表示水中仅含NaCl，而可能含有其他的固体离子。

我们所测得的电阻/导电度仅可得知水中所含D.S.之总数，至于水中所含有机物、胶羽、细菌和PYROGENS并不影响水之电阻/导电度值，而必须用其他方法来测知，所以我们平常说高阻值的水即高水质的纯水是不对的，然而，蒸馏水虽不含有机物和细菌但电阻值仍低乃因水中吸附CO2所致。

表1.WaterAnalysisdataoffeedwater

（Providedreferencedata）

pH

7.8（attemperature18℃）

Conductivity

3.6×102us/cmat25℃

TDS

2.6×102mg/L

KmnO4

2.2mg/L

TotalHardness

150mg/LasCaCO3

Ca++

92mg/LasCaCO3

Mg++

38mg/LasCaCO3

Na+

26mg/LasCaCO3

K+

3.5mg/LasCaCO3

TotalCation

159.6mg/LasCaCO3

TotalFe

<0.05mg/LasFe

TotalMn

<0.02mg/LasMn

HCO3-

90mg/LasCaCO3

SO4-

63mg/LasCaCO3

Cl-

16mg/LasCaCO3

NO3

<2mg/LasCaCO3

TotalAnion

170.5mg/LasCaCO3

SiO2

12Mg/LasSiO2

Temperature

15-29℃

TOC

2.5mg/L

S.D.I.

5.4

1.2超纯水在电子厂制程之用途及影响：

1.超纯水在电子厂制程之用途为：

FOR晶清洗片

‧所有酸洗后之DIRINSE清洁用水

（H2SO4+50:

1HF+DIQDR+DIFINALRINSE+SPINDRY）

‧所有有机溶剂清洗后之（RINSE材料）

（-3000+IPA+DIQDR=DIFINALRINSE+SPINDRY）

‧黄光显影液后清洗（DEVELOPER+DIRINSE+SPINDRY）

‧芯片研磨清洗用水（DIRINSE+SPINDRY）

FOR机台一般用水

‧WJ-999：

BELTOLEANING

（HFVAPOR+DIULTRASONIC+AIRDRY）

‧UV-CURING：

MICROWAVE磁控管及芯片COOLING用水

‧CV-PLOTM-R：

芯片测试座COOLING用水

‧IMPLANTRER/ETCH/CVD之CHILLER补充用水

‧厂务PCW调整水阻质用补充水

‧厂务OAC设备SPRAYWATER补充水

‧QC实验室用水

FOR设备零件清洗

‧如石英管，SPUTTERSHIELDING，ETCHER电极-等，及PMPARTS化学清后之请洗用水

FOR制程化学药品之稀释用及清洁药剂（如IPA）之稀释用

2.超纯水水质对半导体制程之影响：

PARTICLE：

当大颗粒之PARTICLE附着在Die与Die之线槽间会造成产品之电性不良使YIELD降低

DO：

（1）溶氧过高易使管路内之纯水滋长细菌

（2）溶氧过高易导致离子交换树脂性能劣化

（3）溶氧过高影响芯片负氧化薄膜之厚度，据Dr.Ohmi之实验芯片在40-60PPB溶氧之纯水清洗后导致约3A°（埃）厚度之负氧化膜形成，这使得要求半导体氧化层越来越薄膜化之组件性能劣化

TOC：

（1）有机不纯物附着在芯片表面会导致氧化和结晶之缺陷及组件性能之劣化

（2）当纯水中之有机物质在湿蚀刻制程之清洗过程因吸附而附着在芯片表面，会导致蚀刻不均匀及芯片表面之清洗效率不佳

SiO2：

溶解在纯水中之硅离子易在蚀刻制程时与溶氧（DO）反应成SiO2附着在芯片表面或在OXIDEFILM之形成过程中造成THICKNESS之不均匀

1.3各组成设备之功能

提供高阻值，低杂质的超纯水是DI系统最终的主要目标；因此，为了确保出水水质的稳定，了解DI厂的操作乃为最重要的课题。

原水中含有许多不纯物，在整个纯水处理过程中，使用了各种不同的单体设备来去除不同的不纯物，如SandFilter、Micro-filter、ReverseOsmosisMembrane、ActivatedCarbonFilter、IonExchangeResin、Ultravioletray及Ultra-filtration等等，以达到制程的要求水质。

以下以一个完整的超纯水系统介绍部份之组成：

1.系统流程图

依其不同的处理效率及目的所构成的超纯水处理流程可分为下列5大部份；其流程图请参阅附件图一至图五

（1）CityWaterStorageSystem

（2）PretreamentSystem

（3）RecoverySystem

（4）MakeUpSystem

（5）PolishingSystem

2.系统说明

（1）CityWaterStorageSystem

由于FAB产能不断扩充，加上夏季时用水量增加，原先建于DI厂之地下水池（1,000m3）容量已不教使用；因此，又陆续增加了NTB、OB及garden之地下水池，其容量分别为2,000m3、800m3及1,200m3。

原水经由宝山水库送至园区加压站，以8〞主管送至现有四个地下水池，再经由DI厂之地下水池，以泵抽至DI厂处理成超纯水。

为了能够充分利用此四个蓄水池，平时原水经8〞主管只进入NTB、OB及Garden三个地下水池，当DI厂地下水池之液位过低时，三组液位计同时牵动三组地下水池之pump，将原水送至DI厂地下水池。

如此不仅可以充分发挥水池之蓄水功能，更可避免因储水静置成为死水而污染；目前每日平均之用水量约为1,470CMD。

（2）PretreamentSystem

当原水由DI厂地下水池经泵抽送，即进入DI厂之PretreamentSystem；其中各单元设备的作用及操作说明如下：

A.FlockFilter：

原水中存在许多不纯物，如particle、bacteria、suspendedsolid、dissolvedsolid及ionizedmatter等等；其中粒径稍大的不纯物可以加药混凝，产生粒径更大的胶羽予以过滤去除。

B.PAC加药：

PAC、alum及Fe2（SO4）3等为一般净水处理采用之混凝剂。

由附图六可知。

PAC可适用的操作pH值较广；同时，在适用的Ph值范围内，均可得到良好的水质。

目前PAC泡澡浓度为5%，采管中加药混合，其加药量为10~15ml/min，并视线上实时侦测FI值（FoulingIndex）予以手动调整；同时控制其水体pH值在6.8~7.0。

C.NaOCI加药：

此段加药是藉由次氯酸的氧化能力，破坏细菌的cellmembrane，达到杀菌的目的，以保护后段No.1R/O的材质不受细菌的侵蚀。

目前药品的泡药浓度为将12%之厂商规格货稀释成4%；其注入点有二：

（a）进入砂滤池之前

（b）进入No.2R/O前：

控制该点进流氯含量为0.6~0.8ppm

D.FlockFilter（FF）：

经过PAC混凝后产生的胶羽在FF加以过滤。

FF中滤料主要为最上层之无烟煤（anthracite）及不同粒径的砂及砾石作为支撑；对于PAC加药的效果，以SDI-2200在线实时测定其FoulingIndex（FI）。

FI值之测定其及计算方法如下：

（a）将500ml水样通过0.45

mfilter，计算其通过时间为Ｔｏ

（b）持续通过水样15mins

（c）再计算通过500ml水样所需时间T１５

（d）FI=（1-Ｔｏ/T１５）/T１５×100

此外，为保持单元之持续操作，需反洗以恢复其过滤能力；目前自动反洗之控制程如下：

（a）表洗：

将最上层之无烟煤洗净

（b）送洗：

将中间滤料予以洗静

（c）静置：

使滤料分层排列

（d）洗净：

将剩余之杂质洗出

（e）当压损或槽内液位因滤料阻塞逐渐升高，而达到设定点

（f）采水时间达到设定时间

‧FF-1：

12hrs

‧FF-2：

15hrs

E.HeatExchange：

利用40℃热水及7℃冰水，经由板式热交换器，使处理水温度控制在25℃，此目的除了保持系统在同一状况下稳定操作；另一方面，由于Conductivity/Resitivity的测量受温度影响很大，故需控制温度在同一条件下，方使监测值有意义并可以比较。

F.PreFilter：

经过加药混凝所去除的SS在>10

m左右，而为了保护No.1R/O材质，延长使用寿命，此段Filter可以去除>5

m之SS。

G.No.1R/O：

R/O的作用可去除水中particle、SiO2、TOC及IonizedMatter。

本段ReverseOsmosis（R/O）membrane材质为醋酸纤维膜（CelluloseAcetateMembrane，CA），其特性及操作条件如下：

（a）操作pH=4~6：

由于醋酸为弱酸a=1.75×10-5，其水溶液pH=2.38，故在CA膜的材质，需保持水体微酸，以防止其水解（hydrolysis）；此外，根据化学式反应，添加H2SO4与Ca2+反应。

减少因碇酸钙生成而发生scaling。

同时氢离子数目的增加（即低pH值）将使反应式依勒沙特列原理向右进行，产生CO2而降低碳酸浓度，达到去除CO32-的目的；目前控制进流pH=5.5~5.8。

CaCO3+H2SO4

CaSO4+CO2+H2O

H++CO32-

Co2（g）+H2O

（b）进流[CI-]=0.6~08mg/L。

由于醋酸纤维膜材质本身为微生物进行生化反应中良好的碳源（即食物），易被利用，若进水中含有bacteria则CA膜易被破坏，故需加以消毒杀菌；由于次氯酸钠的残余氯效果仅次于氯气，但使用上较氯气安全，故作为杀菌剂。

目前控制R/O进流水之[CI-]=0.6~0.8mg/L

（c）RejectionRate：

Spec>90%，目前为94%

（d）操作压力：

此种CA膜属于中压操作系统，入口压力30kg/cm2，压损<5kg/cm2；一般高压膜之操作压力可达70kg/cm2

（e）启动及运转：

受到100m3PermeateWaterTank及300m3PermeateWaterTank之液位控制：

‧100m3MLlevel起动

‧100m3MHlevel停止

‧300m3MLlevel停止

H.Degasifier（DG）：

脱氯塔的操作为处理水自塔顶spray成雾状或水滴塔底通以空气，而根据上述之化学式，依亨利定律及勒沙特列原理，增加水体与空气之接触面积后，可释放CO2（g），并使反应式向右进行，进而降低CO32-浓度；除了可避免CO32-与二价金属离子反应产生水垢外，并可减少后的处理负荷；为增加处理水与空气之接触，脱气塔内添加拉西环，目前AirBlower的送风量为30Nm3/min。

（3）RecoverySystem

由于提供water制程使用水之水质达18MΩ-cm，在quickdownrinse后的水质其导电度<1,000

s/cm，水量达450m3/day，因此予以回收处理再利用，提高自来水整体回收率；其中各单元设备的作用及操作说明如下：

（A）LocalRecoveryWaterTank&RecoveryWaterTank：

回收水排至DI地下室之LocalRecoveryWaterTank，再利用pump以液位控制将回收水打至E/P玻璃屋之RecoveryWaterTank；此RecoveryWaterTank同时接收由RegenerationPit所储存No.2R/O之浓缩水。

（B）ActivatedCarbonFilter：

利用活性碳之多孔性可将TOC及H2O2自回收水中吸附去除。

当其操作达到设定时间（72hrs），便自动反洗。

（C）WeakBaseIonExchanger：

由于wafer制程中使用较多的酸，故使用弱碱性因离子交换树脂，去除水中之阴离子，如F-。

当其操作达到设定时间（54hrs），便自动反洗；其反洗废水因含F-，需另外收集，再排至废水区之HF（W）系统。

弱碱性阴离子交换树脂之官能基吸附力较弱，置换率较高。

（D）MBIonExchanger：

藉由特性不同的树脂，将水中剩余之阴离子及其他阳离子予以交换去除。

其自动反洗之设定与WA同，均为操作时间达到54hrs。

本单元与前两单元之反洗水，来源均为RegenerationPit之No.2R/O浓缩水，以达水资源再利用之节水目标。

目前回收水经由此回收系统处理，其conductivity可由<250

s/cm提升至16MΩ-cm

（E）PostFilter：

回收系统中大于3

m之particle均在此被过滤去除；回收水经过此系统后，其TOC一般可降至<25ppb（Spec<250ppb）

（4）MakeUpSystem

经过DG脱气后的水进入PermeateWaterTank，即进入MakeUpSystem；其中各单元设备的作用及操作说明如下：

（A）Na2SO3加药：

藉由Na2SO3之添加氯与钠反应产生氯化钠，而去除水中于余氯，以保护No.2R/Omembrane；目前以手动方式加药，监看CI-meter所显示之读值，直至读值为零。

CI-+NaSO3

SO3+NaCI

（B）Ultraviolet（UV）：

根据附件图八及图九表示，波长在254nm左右之紫外线（Ultraviolet）具有良好的杀菌效果；而且遗传物（DNA）及蛋白质（protein）亦有良好的吸干；因此，用来作为杀菌的设备；其保养方式为当达灯管寿命时（7,500~8,000hrs）子以更换

（C）No.2R/O：

此段R/O的作用与No.1R/O同，但其材质为聚盐酸胺膜（PolyamideMembrane，PA），其特性及操作条件如下：

（a）操作Ph=3~9：

由于PA的化性相当稳定，微生物不易分解，而且水体经DG处理后，其pH值已接近中性；因此，不会有发生水解（hydrolysis）

（b）进流[CI-]=0：

由于氯极易与胺反应，因此若水中存在有，则PA膜中的胺基将与之作用，使膜本身被破坏；故需去除水中除氯

（c）操作压力：

此种PA膜属于低压操作系统，入口压力12lg/cm2，压损3kg/cm2

（d）浓缩水回收：

目前其浓缩水回收后再利用至下列用途

‧OAC

‧CoolingTower补水

‧RecoverySystemACBackwash

‧RecoverySystemWA&MBRegeneration

（D）VDG：

在此单元设备之前，水体一直保持与大气接触；同时由于水体不断处理，水质中BOD极低（<1~3ppm），因此水中溶氧值近乎饱和（8.2ppm左右）。

溶氧高会滋生bacteria，氧化后段resin及影响wafer制造，故需加以去除。

因为氧极易溶解，无法以去除CO2的方法脱氧，因此需将脱氯塔内抽成真空，增加两相中氧的浓度差，最后，依亨利定律，溶氧自水中释放，平衡的浓度。

由于设备持续运转，因此很难达到完全真空的状态，本法对溶氧的去除极限只可达<50ppb；目前操作之真空度在70mm-Hg

（E）TOC-UV：

大部分高分子量的organicmatter在前段R/O被去除，但仍有低分子量的有机物通，而残留于水中。

根据附表二可知，波长在184.9nm的UV可分解大部份单键之化合物，使其分解成带电离子，再经后段的MB子以交换去除。

（F）MBIonExchanger：

本树脂塔为混床式，阴离子交换及阳离子交换在同一塔槽内；经过交换后的水质其阻质可达16MΩ-cm以上。

由于本塔为混床式，在操作上以再生程序最为重要；再生时机有二

（G）ServiceTime达到设定值，72hrs

‧采水质不佳

再生程序的正确与否，关系MB再生后再处理之能力。

其再生成如下：

（a）Backwash1：

目的在于将阴、阳离子树脂分层；阴离子树脂比重较轻，故反洗后在上层。

（b）NaOHInjection1：

将NaOH加热至40℃以提高去除SiO2的效率

（c）NaOHRinse1：

将再生完成且多余之NaOH排出

（d）Backwash2：

再次将阴、阳离子树干分层

（e）Settlement：

静置，使两种树脂定位

（f）NaOHInjection2：

阴离子交换树脂再生，使其挥复交换能力

（g）NaOHRinse2：

将再生完成多余之NaOH排出回收

（h）HCIInjection：

阳离子交换树脂再生，使其恢复交换能力

（i）HCIRinse；将再生完成且多余之HCI排出

（j）PrimaryRinse：

洗净树脂中残存之酸、碱性

（k）Drain：

排水使塔出水高度小于10公分，避免树脂被洗出

（l）Mixxing-1：

利用Permeatewatertank内的水作混合，避免树脂破碎

（m）Mixxing-2：

利用N2gas混合，使Resins分布均匀

（n）FilingWater1：

进水将N2gas排出

（o）FilingWater2：

进水将N2gas二次排出

（p）SecondRinse1：

为确认再生效果是否良好，先测其阻质，阻质需达2~4MΩ-cm

（q）SecondRinse2：

第二次rinse，其阻质需达12MΩ-cm

（r）Aging：

正常执行离子交换功能；若其出水阻质在5MΩ-cm以下，则需不断重复secondaryrinse2，再测其阻质，直至setpoint

（H）PostFilter：

可过滤水中粒径>1

m之particle，包括MB被洗出的resin碎粒及死亡的菌尸

（5）PolishingSystem

经过MakeUpsystem处理后的水质可达16MΩ-cm，再经本系统的处理使水质达到wafer制程要求；其中各单元设备的作用及操作说明如下：

（A）PureWaterTank：

为防止空气中gasparticle进入水中，本槽需保持正压；目前以N2gassealing，压力保持在50mm-Hg此外，为确保本系统的持续运转，另以循环泵将使用点之超纯水予回流，槽内有效水位维持在90%

（B）HeatExchanger&UV：

其作用如前述，请参阅。

但是在此段热交换器中，添加了H2O2作为杀菌剂，其浓度为1.0~1.5%

（C）MBPolisher：

去除水中残留之离子，由于进流水中的离子负荷相当低，因此厂商建议之servicetime可达一年；当操成时间达到建议时限，及直接将树脂予以更换，节省操作及维修人力。

目前根据同仁操成试验观察得知，其servicetime可达33个月

（D）UltraFiltration：

为一种membranefiltration，可将分子量大于10,000之物质予以过滤，降低TOC；其浓缩水水质亦相当好，conductivity可达16MΩ-cm，目前排至permeatewatertank再利用。

考虑到机台需求，本段出口压力要求在4kg以上。

WaterQualityCharacteristics

Item

OperationCondition

Unit

CityWater

Ultra-Pure