给水排水有了光刻机，我国芯片还会被“水”卡脖子

△  全球芯片企业先进制程节点展望

如果看官你不是电子领域纯水行业的人士，你可能会奇怪：水，怎么会卡芯片制造的脖子？就算我国缺水，还能缺到不够芯片制造用水的地步吗？当然不是水量不够，而是水质达不到要求，也就是水不够纯净。

对于大众来说，平时接触的自来水（饮用水）的浑浊度小于1NTU（根据现行《生活饮用水卫生标准》GB 5749-2006）。这样的自来水在肉眼看来，就已经非常干净了。但是，这在电子行业，尤其是高端芯片制造领域，还差得远得远得远得远……

在芯片人看来，自来水里面杂质多到什么程度？就好比是一锅粥！

于是，芯片行业需要对生产用水进行苛刻的纯化处理。

水纯化第一层次——去离子水（DIW，Deionized Water）： 采用物理、化学方法，去除溶于水中的电解质，获得电阻率在0.1~10 MΩ·cm的水（真正纯净的水可被视为绝缘体，生活中的水导电，是因为其中有杂质）。这个过程去除了水中的电解质，但溶于水中的非电解质（如有机物、微生物、颗粒物、溶解性气体等）大部分未被去除。

水纯化第二层次——纯水（PW，Pure Water）: 采用物理、化学方法，去除了水中的几乎全部电解质与非电解质，且水中阳离子和阴离子、有机物、颗粒物、微生物等含量受到一定控制。此时，纯水的电阻率在10~18.2 MΩ·cm（25℃），可以被视其为绝缘体了。

△  抛光系统树脂

水纯化第三层次——超纯水（UPW，Ultra Pure Water）： 如果将水中阳离子、阴离子、有机物、颗粒物、微生物都进行严格控制，这还不算完，再对水中溶解气体进行严格控制，此时水的电阻率达到18.2 MΩ·cm（25℃）以上（接近理论值18.6 MΩ·cm，25℃时）。

不幸的是，现在的高端芯片制造，正需要这个最高级的超纯水。估计有人会纳闷，芯片生产干嘛要对水质提出这么苛刻的条件呢？

△  脱气膜原理

• TOC（可通俗理解为所有能燃烧的杂质）：影响光刻精度，影响芯片质量。

• DO（溶解在水中的氧气）：滋生细菌，形成氧化层，影响芯片质量。

• Boron（硼元素）：影响P-N结，影响芯片质量。

• Silica（硅元素）：造成晶圆水斑，影响芯片质量。

• 金属离子：影响晶圆原子密度，影响芯片质量。

• 微粒：影响光刻精度，导电微粒会直接导致短路。

• ......
  

详细见图，总之，水不够纯净，就做不成合格的高端芯片。芯片越高端，所需纯水的纯度就越高。

从大的尺度说，分三个步骤：预处理、初级纯化、抛光系统。

（1）预处理： MMF+ACF（常规处理方式）、MF+UF（新型处理方式）

MMF：多介质过滤器，可通俗理解成筛子；

ACF：活性炭过滤器；

MF：微滤，可通俗理解成细筛子；

UF：超滤，可通俗理解成更细的筛子。

本段基本对应前面说的“纯化的第一层次”，水中的电解质基本被去除干净了。

（2）初级纯化： 2B3T+RO+MB（常规处理方式）、二级RO+EDI（新型处理方式）

2B3T：两床三塔，可通俗理解成家用终端净水器；

RO：反渗透膜，可通俗理解成更更细的筛子；

EDI：连续电解除盐，名字已经够通俗了。

本段基本对应前面说的“纯化的第二层次”，去除了水中的几乎全部电解质与非电解质，且水中阳离子和阴离子、有机物、颗粒物、微生物等含量受到一定控制。

△  RO（反渗透膜）

（3）抛光系统： UV+MB+MDG+UF

UV：紫外线消毒；

MB：混床；

MDG：膜脱气装置，通过膜将溶解于水中的气体脱除。

终端UF：终端超滤。

本段基本对应前面说的“纯化的第三层次”，水中阳离子、阴离子、有机物、颗粒物、微生物都得到了严格控制，就连水中的溶解气体也被严格控制。这时的水几乎纯净到了极致。

△  UV（紫外线消毒）

目前，这些技术设备均需向上述国外企业购买，假如没有这些，我们就制造不出电阻率18.2 MΩ·cm（25℃）的超纯水，进而就制造不出高端芯片。各位看官明白为什么水会卡芯片的脖子啦。这事还不算完。

原因在于，即使我们制造出这样的超纯水，我们怎么输送到每个芯片生产车间、机台呢？需要管道，而普通管道内壁会向水中溶出物质的。你想想，那么纯净的超纯水，溶入一点点物质，恐怕我们前面的努力都白费了。而且，管道上还需要有阀门，泵送水也需要水泵加压，同理，泵、阀的内腔材料同样要求严苛。

△  国内某芯片生产项目鸟瞰图

就算我们把上面的工艺设备、水泵、阀门、管道统统搞定了，还是不算完结。进一步的问题在于，我们制出的超纯水，如何知道它合格呢？如何知道其中各项指标达标了呢？对了，我们还需要超高精度的检测仪表，好让我们知道超纯水是否合格。相应的：

• TOC分析仪市场基本被苏伊士集团、梅特勒托利多、Anatel公司等几家国外公司占据。

• 颗粒计市场基本被PMS、Lighthouse、Rion公司 等几 家国外公司占据。

• DO分析仪市场基本被美国哈希、瑞士E+H，日本岛津 等几 家国外公司占据。

• 硅表市场基本被Horiba、Prominent公司 等几 家国外公司占据。

• 硼表市场基本被法国苏伊士公司占据。

• 大型工厂设备集成市场，则基本被日本栗田、Organo、Ovivo、Nomura等四家国外公司占据。

• ……

△  超纯水痕量检测设备

自新中国成立以来，我国产业升级，是从农业到轻工业，再到重工业，从劳动密集型到技术密集型，总体从低到高，不断进步的。回顾以往，我们征服了一座又一座看似不可逾越的山峰。芯片制造领域，也同样是我们未来需要征服的一座“高峰”。近年来，我国的民族企业也在不断进步，杰出代表包括：

• 抛光系统树脂：苏州华膜环保科技有限公司（争光树脂）

• 膜脱气装置：杭州科百特过滤器材有限公司

• 高品质RO（反渗透膜）：北京时代沃顿科技有限公司

• 设备集成商：江苏中电创新环境科技有限公司、北京高频美特利科技（北京）有限公司

另外，还有上海同菁环境工程设备有限公司等一批长期专业从事本领域的科技公司。

△   国产脱气膜

当前我国正处于产业结构调整的关键期，高端制造行业突破的根本，尤其需要基础研究（材料学、基础物理、基础化学，等）自力更生、扎实积累、创新突破！同时，工业水处理的重要性也异常凸显。工业超纯水，就如同 “工业血液”一般珍贵。

我们每一位水行业人，都应懂得我们使命光荣，重任在肩！

本文部分内容参考、引用了 “全国绿色工厂厂务大会（点看）” （首届·合肥·2021年10月21-22日，第二届·重庆·2022年9月21-23日）两位专家报告内容，特此致谢！