从节能减排角度优化半导体超纯水处理系统设计

摘 要：超纯水处理系统广泛应用于微电子行业中，尤其在半导体生产中，有水量消耗大，水质要求高，工艺过程长等特点。超纯水处理过程中需要消耗各种各样的资源，比如，水，电，化学品，且在过程中需排放污染物。不同的超纯水处理工艺对资源的要求也不尽相同，从设计角度分析超纯水处理系统的节能减排，对超纯水处理系统进行优化设计具有环保意义。

关键词：节能减排；微电子；半导体；超纯水

中图分类号：TE08文献标识码： A

Optimize Design Semiconductor Plant UPW System From Energy Conservation and Emission Reduction Perspective

Yan Guizhong Zhang Zhenjia

School of Environmental Science and Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai, 20040, China

Abstract: Ultrapure water (UPW) system is widely used in micro-electronics field, especially in the manufactory of semiconductor, it has characteristics of high water consumption,high water quality requirement and long process flow. Various resources are consumed during the process of UPW treatment, such as water, electrical, chemical, in the meanwhile, It’s coming with pollutant emission. Different UPW process will have various requirement of resource; it has environment protection significance for optimizing UPW system design from perspective of energy conservation and emission reduction.

Key word: Energy conservation and emission reduction; Micro-electronics; Semiconductor; Ultrapure water (UPW)

超纯水中含有的杂质极少，典型的半导体工厂超纯水水质要求是要将水的电阻率处理到18兆欧以上，总有机碳保持在10ppb以下，溶解氧达到10ppb，此外常规的离子含量也将处理到 50 ppt以下。超纯水处理流程涉及到过滤，离子交换，膜处理等关键工艺。

一般来说，水中的杂质分成两种，一类是溶解性的杂质(离子化和非离子化)，另外一类是悬浮物质(无论是有生命的和无生命的)。因此需要结合不同的处理手段来制备超纯水。棘手的问题在于选用何种处理手段来有效去除非常微量的杂质。传统的方法是用离子交换的手段来去除溶解性的杂质，用过滤的方式去除悬浮物。

近来，高效的膜处理技术被视为可以有效去除有生命的和无生命的颗粒物质和溶解性杂质的方法。

随着环保要求的不断提高，节能减排也越来越受到重视，这涉及到生活生产的方方面面当中，超纯水处理系统也不例外。

1.典型超纯水系统流程及资源消耗

超纯水处理应根据最终水质要求和原水水质报告，结合实际情况，综合分析投资成本以及运行成本，合理设计工艺流程。超纯水处理工艺流程根据功能性的不同，大致可以分为三个阶段。

1.1前处理单元

主要功能是去除水中的悬浮物等杂质，以及降低水中溶解性总固体的含量。

典型流程主要包含原水储存箱，热交换器，多介质过滤器，活性炭过滤器，阴阳离子交换器，脱气装置，反渗透处理等。

1.2制备单元

接收前处理单元的产水，以去离子水箱为界，后续加入紫外灯，混床等装置。这将进一步降低水中的杂质含量，同时降低水中的有机物以及含氧量。

1.3抛光单元

此单元是整个超纯水处理的终端处理。

来自于制备单元的产水将被收集在超纯水水箱中，通过抛光树脂的离子交换，最终膜过滤处理生产符合要求的超纯水，不符合要求的超纯水将回流到处理系统中再处理。

2.节能减排措施

超纯水处理过程中的节能减排措施主要通过以下方法：

优化工艺设计过程，减少公用条件消耗

减少废水排放

尽可能利用系统中的回收水，提高水的利用率

2.1 优化工艺流程，减少公用条件消耗

对于抛光阶段的工艺流程业界很少有分歧，基本是都是通过紫外灯，抛光树脂，膜脱气，超滤等装置来处理。另外国内很少用电除盐技术应用于大型半导体工厂超纯水水处理项目中，所以对制备单元的工艺选择性也只剩下离子交换混床工艺了，可供优化的空间有限。

但是对于前处理单元存在着多种不同的方案。主要有阴阳床加反渗透，两级反渗透两种处理工艺。两个工艺流程各有优缺点，而且在大型半导体项目中都有过应用。比如上海松江某8寸晶圆工厂超纯水系统用的是前者，而在四川成都的某半导体工厂，用的则是两级反渗透。阴阳床加反渗透是通过离子交换树脂结合反渗透膜技术来去除水中的溶解物，树脂失效后需进行再生，需消耗大量较高品质的酸碱化学品。而两级反渗透是通过全膜处理技术，消耗极少的化学品，但是由于自身存在回收率的因素（通常一级反渗透约75%，二级约90%）以及需要高压泵装置，将消耗更多的水资源和电能。

通过对传统阴阳床技术以及反渗透膜技术的优化，将反渗透装置设置在阴阳床之后，可以使反渗透的回收率提高到95%，同时反渗透的浓水因为水质相对较好，电导在100us/cm2左右，可以不经过任何处理直接回收利用，作为洗涤塔的补水。将反渗透的回收率达到95%的前提是阴阳床必须发挥良好的性能。阳床处理过的水中PH值在4左右，水中的碱度基本上是以二氧化碳形式存在。利用该特点，在阳塔后设置膜脱气（二氧化碳）装置或者脱碳酸塔装置可以有效去除水中的大部分碱度，大大降低后续阴床的处理负荷，同时可以降低阴床的树脂用量，减少再生化学品的消耗。放置在阴阳床之后的反渗透，可以认为是二级反渗透，因为进入该反渗透的水已经经过了过滤，离子交换，脱气装置，电导率在15 us/cm2以下，SDI淤塞指数在1左右。通过在反渗透装置前添加碱使得水的PH值保持在8.5，使得残留在水中的二氧化碳以HCO3根的形式存在，方便被反渗透膜去除。通过反渗透膜处理软件的模拟，反渗透膜对于离子含量的去除率将达到90%以上。经实际应用检测效果与设计期望一致，去除后的电导率小于 1 us/cm2（在线仪表检测）, 同时通过便携式仪表检测，总有机碳由进水的1ppm 降低到出口的90ppb。

此外，由于生产的需要对于超纯水水量的消耗总是有高峰和低谷，而且工艺设备本身的步骤当中也有不同的流量要求，如多介质过滤器正常产水，冲洗以及反洗时所需求的流量都有差异，所以尽可能低适用变频泵不失为一个节能的好方法。

2.2 减少废水排放

纵观整个超纯水处理系统，从前处理到终端处理，由系统中排出的废水主要有来自于以下几个方面：

1）过滤器反洗废水

2）树脂再生酸碱废水

3）反渗透浓水

4）超滤浓水

反渗透浓水需区分是一级反渗透浓水还是二级反渗透浓水，一级反渗透浓水因含盐量较高，通常会超过1000ppm, 不适合直接用于回收水利用，如需回收利用则需要经过脱盐处理。

二级反渗透的浓水，其水质较好，水的电导率在100us/cm2以内。超滤浓水的电导率在10 us/cm2以下，比自来水水质要好，此两种浓水都可以直接用于其他系统，诸如洗涤塔补水，加湿用补水等。第一项和第二项因为含有较多的杂质，需作为废水排放到废水处理。树脂再生废水在进入废水处理前，酸碱废水在预中和水池中中和，通过对树脂再生合理的计算，对酸碱再生量进行控制，可以达到中性，从而有效降低废水中和处理中酸碱的消耗。

2.3 提高水利用率

减少废水排放，本身也提高了水的利用率，水利用率的提供对于前处理装置中热源的消耗也相应减少，同时降低了泵的负荷，减少了电力消耗。

3.结论

从节能减排角度优化超纯水处理工艺流程，利用传统的离子交换结合膜处理技术在大型半导体超纯水项目上，具有资源消耗少，水利用率高等特色。随着半导体技术不断的更新，对于水质的要求也越来越高。我们应充分分析最终用水水质要求以及原水水质，从工艺流程的稳定性，可行性，环保性入手，优化系统设计，同时应坚守创新精神，在传统的基础上有所突破。

参考文献：

[1] 华东建筑设计研究院有限公司主编. 给排水设计手册[M], 第四册, 工业给水处理, 第二版. 中国建筑工业出版社， 2002: 301-344.

[2] 吴晔榴. 8_芯片生产厂超纯水系统设计浅析[A]. 见: 第五届中国国际(北京)洁净技术论坛文集[C]. 第五届中国国际(北京)洁净技术论坛.2003: 393-399.

[3]许德洪. 半导体行业超纯水制造技术[J]. 工业水处理 , 2010(5): 90-92.

[4]郭辉，郭娅娜，何银平. 半导体行业超纯水处理系统优化设计[J]. 广东化工. 2011(6):197-198.

[5]刘玉岭，刑哲，檀柏梅，李薇薇. 超大规模集成电路工艺应用中的超纯水 [A]. 见: 第十三届全国半导体集成电路、硅材料学术会论文集[C]. 第十三届全国半导体集成电路、硅材料学术会.2003: 408-411.

[6]张志坤，高学理，高从. 超纯水制备[J]. 现代化工. 2011(4):79-82.

[7]厉晓华，何义亮. 节水技术在半导体制造企业的应用[J]. 半导体技术. 2006, 31(9):653-655.

作者简介：

严桂中（1978-），男，工程师，上海交通大学环境科学与工程学院工程硕士生，美施威尔（上海）有限公司工艺工程师，主要从事水处理工艺设计工作，研究方向为超纯水系统的工艺开发研究及实际应用。