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無塵室設備技術概論 連載二
超純水供給設備
1.前言 除去原水(工業用水、井水等)中大部分的
懸浮物質，減輕後段系統的負擔。凝集沉澱槽
關於純水與超純水的方法是從 1970 年代
和去硫塔(SF)是主要機器等。在小型、中型系
後期一般使用方式，兩者之間沒有明確的區分
統的場合稱為膜前處理，使用逆洗型的孔狀人
基準點存在。純水和超純水是使用在各式各樣
造纖維膜。最近的超純水系統，從 POU 的使用
的範圍，受重視的不純物的種類和要求純度是
回收處理的純水再利用比例漸漸的提高。大型
根據使用範圍會有部分的差異。在其中，關於
的系統，在 POU 的超純水使用量的 30~40％，
半導體和液晶產業對超純水的使用，大致上除
若不補給原水將變成大多是超純水。
去全部的不純物為止即達到要求。
在下面，將介紹超純水應用在半導體、液 (2) 1 次純水部
晶工廠之製程設備使用情形。
在前處理水和回收水處理水除去包含不純
物，在末端超純水比照水質高的部份。逆滲透
2.整體處理流程和主要機器 裝置(RO)，離子交換塔(2B3T，MB)，真空脫氣
半導體之多用途設備整體流程如圖 1 所 ，有機物分解用 UV(TOC-UV
塔(VDG) ，UV-OX)
示。在半導體工廠，包含一般的氣體和特殊氣 等是主要的機器。最近作為 MB 的替代，使用
體，真空和壓縮氣體，外氣處理和冷卻水，藥 藥品再生不要連續運轉是可能的，稱為
品和純水等各種的多用途使用；這類一部份回 EDI(Electrodeionization) 電 氣 式 脫 離 子 裝 置 大
收到工廠內和在工廠外再利用。此外，超純水 多正被使用中 關於 EDI 有其他更詳細的介紹
。 。
製造裝置的整體構成如圖 2 所示。原水中的所
(3) 2 次純水部(超純水部)
有不純物分離、分解、除去後一起將同時製造、
供給超純水，重金屬的水有效利用和降低環境 除去 1 次純水中的不純物，被要求超純水
的負載，考慮資源回收和整合系統。一般的超 水質高的部份。TOC-UV，非再生離子交換塔，
純水製造裝置是分為前處理部份、1 次純水部 超過膜(UF)，脫氣膜(MDG)等的主要機器。
分、2 次純水(超純水)部分、循環配管部分、回
(4) 循環配管部
收部份。對各部份做簡單的介紹。
循環配管部是藉由超純水裝置製造超純
(1) 前處理器 水，於無塵室的多用途供給設備。在穩定下超
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圖１ 半導體的多用途設備總流程
術因素。作為配管的材質，降低從添加劑的溶
原水
出，超純水用的 PVC(C-PVC)和高溫超純水適
1 次處理
用的 PVDF 等。
前處理
往清潔塔和洗滌器等 (5) 回收部份
使用封裝的洗淨之後，超純水的不純物濃
回收部
度較低。因此，一旦 POU 使用回收、再利用純
回收部 使用 2 次處理 水，最近系統已形成普遍趨勢。
藥品的再利用 循環配管
封裝由各種藥品洗淨，根據這些種類，回
濃厚藥品
排流 排水處理設備 工商業者啟用
收分成酸、鹼系、氟酸系、有機系等，對應濃
度而有區別。稀薄系的廢水是作為超純水原水
圖２ 超純水製造系統的總構成
的回收、再利用。限制原水取水量，使原水取
用量的削減，排水量的削減、環境的考量等，
純水製造，在大型系統數 100 個所 POU 降低水 已成為排水回收率變高的期望，考慮處理時必
質，在安定下供給超純水，這是非常重要的技 要的成本，必須設定 POU 使用量在 70％左右。
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項 目 單 位 2006 年 2008 年 2010 年 2013 年 2017 年 2020 年
齒輪半徑 nm 70 57 45 32 20 14
粒子徑 nm 35 29 23 16 10 －
微粒子 個/ml <0.2 <0.2 <0.2 <0.2 <0.2 <0.2
阻抗比 at25℃ mΩ.cm 18.2 18.2 18.2 18.2 18.2 18.2
TOC ppb <1 <1 <1 <1 <1 <1
生菌 CFU/L <1 <1 <1 <1 <1 <1
二氧化矽 ppb <0.5 <0.5 <0.5 <0.5 <0.5 <0.5
陰離子 ppt <50 <50 <50 <50 <50 <50
金屬 ppt <1.0 <0.5 <0.5 <0.5 <0.5 <0.5
溶存氧 ppb <10 <10 <10 <10 <10 <10
溶存氮 ppm 8-12 8-18 8-18 8-18 8-18 8-18
溫度穏定性(℃) ±1 ±1 ±1 ±1 ±1 ±1
表一 超純水的水質要求［ITRS2005］3)
項 目 離線分析方法 線上計測方法
導電率 － 導電率計
TOC 濕式氧化-非分散紅外線吸收法 TOC 計
生菌 過濾器－捕捉→培養法 －
微粒子 直接檢驗法（SEM 法） 部分計算法
全矽 ICP-MS,火焰式原子吸光光度法 －
反應矽 離子染色,吸光光度法 矽值計
離子 離子染色 －
金屬 ICP-MS,火焰式原子吸光光度法 －
溶存氧、氮 － 溶存氧氣計、氮氣計
溫度 － 溫度度
表二 超純水水質管理項目和評價方法
3.水質和測定技術 離線式型的分析方法和線上式的計測方法，根
據項目和目的分別使用。評價項目中，最近微
在半導體產業使用超純水是提高製品的集
粒子數計測技術成為很大的問題。
積度，水質純度和穩定性的需求每年提高。作
為 要 求 水 質 的 標 準 ， The international 大型的超純水製造裝置的典型排水處理如
Technology Roadmap for Semiconductors(ITRS) 圖 3 和圖 4 所示。純水系統是各種單位機器所
的 2005 年版表示超純水要求水質如表 1 所示。 結 合 構 成，對 應 各 個機器 的 詳 細說明 省 略 不
根據這個需求超純水的高度品質、穩定的清淨 談，原水水質，裝置規模，末端水質等成為最
度進行製造、維持、管理，修正微量不純物濃 適用機器構成而運轉。根據最近超純水系統生
度評價是不可欠缺的。表 2 為一般用超純水的 產末端超純水的水質和測定方法如表 3 所示。
水質管理項目現狀評價方法。評價方法是分為 比較表 1 和表 3，在大部分的項目滿足 ITRS 的
2010~2020 年的水質需求。此外現在的分析、
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項 目 單 位 測定值 測定、分析方法
導電率 mΩ.cm at25℃ >18.2 導電率計 Thornton
溫度 ℃ 23±1 溫度計
溶存氧 ppb <1 溶存氧氣計 MOCA3600
TOC ppb as C <1 Anatel A-1000XP
微粒子(≧0.03μm) 個/ml <0.5 直接檢驗法（SEM 法）
微粒子(≧0.05μm) 個/ml <0.2 部分計算法 UDI-50
生菌 CFU/10L 0 過濾器捕捉培養法
全矽 ppb as Sio2 <0.02 火焰式原子吸光光度法
硼 ppt <10 ICP-MS
Na.Ca.Fe.Cu.Al 等等 ppt <0.1 ICP-MS
Cl.SO42 等等 ppt <1 離子層析儀
表三 超純水水質檢測標準
經費
7%
設計,監督
材料,機器
18%
55%
降低成本的可能
現況工程
20%
圖３ 超純水系統範例-1
圖５ 純水裝置費用的構成(大型系統)
質需求，對於這個問題，正朝向提出新測定方
法。
4.最近超純水系統的新提案
4.1 系統整體的提案(標準化和整組系統
化)
最近納入關於超純水製造裝置，製作工
圖４ 超純水系統範例-2
期，現場工程期間，試運轉運轉期間之短縮是
降低製造成本的目的，相當規模的大型系統標
計測之定量達到下限值以下的標準。提高構成
準化、進行整組系統化。
超純水製造系統各單元的性能，並採用低溶出
圖 5 是藉由舊方法製作一般的純水裝置的
液體基材，達到清潔施工技術等的成果。但是，
價位構成。關於降低材料費的成本，目前正在
對於微粒子方面無法完全滿足 ITRS2006 的水
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法為目標，現在，從 10m3/h 到 100m3/h 的純水
裝置作成標準化。根據這個標準化純水裝置的
組合，保護相當範圍半導體和液晶工廠的純水
裝置。計畫新規純水裝置的導入設備可減輕技
師的負擔，今後整組單元型系統被寄予很大的
在 NMS 厚木工廠量產,試運轉 比例交貨 厚望。為了這個原因，結合純水裝置製造商必
需採用標準系統純水裝置的重要性。
4.2 1 次純水部分的提案(EDI)
EDI 是 Electrodeionization 的省略，連續式
現場安裝試運轉 藉由卡車將完成品運送往客戶
電氣脫離子裝置。圖 7 為 EDI 通風管構造所
圖６ 活動房屋施工方式的施力系統 示 。 離 子交換 樹 脂 和離子 交 換 膜的組 合 而 購
成，離子交換膜的間隙，離子交換樹脂被交互
陰極 離子交換樹 充填。這個元件是由數 100 個元件所積層，在
電極
鹽水
兩端電極經常施加數百伏電壓程度的電壓。供
陰離子 給水中的離子成分是根據離子交換樹脂離子交
離子交換 純水
陽離子 換，從直流電流，陽離子是陰極，陰離子是被
鹽水
陽極吸引，移動離子交換膜中達到鹽水層。先
陰離子
離子交換 純水 往 鹽 水 層，阻 止 在 離子交 換 膜 反對的 極 性 移
陽離子
鹽水 動，離子成分在鹽水層濃縮，往外連續的排出。
電極
陽極 根據這樣的原理，除去供給水中的不純物變成
圖７ EDI 的構造 處理水。RO 等的分離膜改變，供給水中的不
純物透過膜，水分子沒有透過膜這點特長。像
努力。目前其他的現場工程，設計，經費等的 那樣 EDI 一面製造純水，沒必要採用不純物除
價位下降，因此提出整組單元型系統的開發。 去技術再生作業。
這個整組單元型裝置的特長根據以下所述：
1 全部的純水裝置設計採用標準化。
EDI 系統，是沒有的再生型離子交換塔，
2 從組合到試運轉在純水裝置製造商的工廠進
根據以下的特點。
行，現場工程的工期極力短縮。
1 沒有使用再生藥品
圖 6 整組單元型裝置在工廠組合、交貨、
使用離子交換膜除去離子類，不使用再生
在現地的施工方法所示。
的藥品，再生藥品的儲槽、供給設備、注入設
根據取用這種的工法，在大型的純水製造
備等。此外，關於再生操作維修組也不需要。
裝置，往現地搬入，包含工事、試運轉期間，2
2 連續處理方式
週間之內完成實績。
連續處理的預備機器是沒必要的。因此，
以純水裝置的標準化和效率的良好生產方
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FAB1 FAB2 FAB3 FAB1 FAB2 FAB3
R0 R0
原水(ppb) 21000 25000 19000 原水(ppb) 20 25000 10
透過水(ppb) 540 190 990 透過水(ppb) 20 9.1 10
去除率(%) 97.4 99.2 94.7 去除率(%) 0 9 0
EDI EDI
處理水(ppb) 8 ≦5 5 處理水(ppb) 0.5 0.3 ≦0.1
去除率(%) 98.5 ≧97.3 99.5 去除率(%) 97.5 96.7 ≧99
總去除率(%) 99.96 99.97 99.97 總去除率(%) 97.5 97 ≧99
表４ 根據 RO、EDI 二氧化矽的去除性能 表５ 根據 RO、EDI 硼的去除性能
新型磨光系統
舊型磨光系統
磨光槽入口 TOC-UV 入口 TOC-UV 出口 研磨出口 UF 出口 POE
圖８ 在超純水系統內 H2O2 測定範例
沒有機器的交換時處理水質的變動和複雜的操 子 化 成 弱電解 質 ， 考慮根 據 離 子交樹 脂 被 除
作。 去。弱電解質離子的除去率是在 RO 後段設置
3 沒有廢水處理 EDI 的除去率。因此，RO+EDI 的組合十分實
因為再生操作沒有發生，廢水處理設備也 用的處理水質被獲得。
不需要。伴隨那樣，維修人員和環境負荷也可 在 1 次純水部分適用的 EDI 被介紹，做為
能縮減與降低。 應用的例子，適用藥品回收 ED(電透析裝置)以
及適用 ED 和 EDI 回收部份有實績報告。
在純水裝置作為自來水公司的水源、工程 4.3 作為超純水部分的提案
流程的水等的原水是被處理的 RO+EDI 流通
量，處理水抵抗值是從 10MΩ･㎝到 16 MΩ･㎝。
作為除去、分解極低濃度的 TOC 成分，超
以前，EDI 是考慮弱電解質的除去性能較
純水系統是 TOC-UV 是一般用。但是，在分解
低的，二氧化矽、硼素的除去性能的測定如表
上 照 射 在超純 水 必 要的照 射 量 以上的 過 剩 的
4 和表 5 所示。在低濃度範圍，二氧化矽的除
UV(185nm)，產生水的電離 ppb 標準的過氧化
去率是 98％以上。硼素也高達 96％以上。離子
氫，根據這些條件，藉由氧氣變化知道在水中
交換樹脂的界面，在離子交換膜和離子交換樹
的溶存氧氣濃度上升。在 2 次純水系統各點，
脂的界面水的電解的起因是發生 H+和 OH-被離
微量過氧化氫濃度的測定結果如圖 8 所示。舊
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是高的，但是，不定期作業和停電其他突發的
條件，迴路在期間受到汙染。迴路水質異常降
低。從 POE 混入異物的發生，瞬間濃度上昇，
頂點的時間是短的。因為計時是不定期的不如
預想，檢查迴路水中的汙染物在異常時是快速
在排水線執行切替配管作業，伴隨著困難。
因為這個專用的監視裝置(RO 監視裝置)
被開發。監視裝置的構成如圖 9 所示，作為不
圖９ 水回路內建高速污染檢測器（RC 監視裝置） 純物的例子 TOC 成分和故意添加過氧化氫的
測定結果如圖 10、11 所示。不純物的混入，10
秒之內測定值發生變化。根據使用監視裝置，
檢測出迴路水的 DO、離子、過氧化氫、TOC
比
抵 成分異常濃度的增加，可能預先混入，在廢水
抗
離子切換至迴路水中。根據這樣，穩定的超純
水裝置的運轉值得令人期待的。
經過時間(sec)
圖 10 TOC 充電試驗(10sec injection)
5.新的洗淨水的提案
5.1 機能水
比 二氧化矽薄片和液晶玻璃的大口徑化，伴
抵
抗 隨的大型化，洗淨過程大量藥品和超純水勢必
要 的 。 大量的 超 純 水使用 在 地 區選定 條 件 左
右，而且面對環境負荷，藥品使用量沒有變少
經過時間(sec) 洗淨方法的檢討頓時變得十分重要。為了洗淨
圖 11 H2O2 充電試驗(10sec injection) 過程降低超純水和藥品的使用量，採用機能水
(臭氧水、氫氣水、碳酸水等)已有發展的趨勢。
型的研磨光系統，在 TOC-UV 後段，過氧化氫 機能水，是純水是根據在超純水內添加微量成
濃度是從 15ppb 上昇，在 POE 到達 10ppb 的濃 分，提高各種性能，在這個範圍，根據溶解微
度。微量的過氧化氫存在以及在機能水質製造 量的氣體，藥品和持有同等的洗淨能力表示超
過程給予不良的影響，可能造成溶存氧氣濃度 純水是多的。採用機能水的優點，由以下所述。
上昇的。藉由使用研磨光系統，在 POE 幾乎檢 (1) 金錢價值
測不到因為過氧化氫濃度的降低。
．降低藥品和廢棄藥品的輸送成本。
．降低藥品的保管、儲藏(庫存)成本。
從純水裝置出口通過 POE，超純水回到純 ．降低洗淨廢水的處理。
水槽。水質稍微降低，通常 1 次純水純度已經 ．降低從洗淨機的廢氣處理設備的負載。
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氣，氧化還元電位和調節適合範圍的 PH 值檢
討氫氣水的使用。作為微粒除去能力的粒子，
刻意汙染三氧化二鋁粒子，在各種條件的微粒
子除去效果的結果如圖 12 所示。同樣在臭氧水
為了分解、除去金屬和有機物作為容易洗淨使
用。以此為例，在各種洗淨後在表面殘留有機
物，FTIR 的測定結果如圖 13 所示。
最近，根據在氫氣水和臭氧水適合條件化
使用，有效除去粒子和有機物。
5.3 高濃度臭氧水裝置
臭氧是具有自己分解的特點，根據生成和
圖 12 根據各種氧化鋁粒子的去除效率
確保 POE 的穩定濃度變成議題。此外，在現狀
的濃度(20ppm 左右)，得到十分好的洗淨效果。
在高濃度藉由穩定的臭氧濃度可以調整供給洗
淨水，提出臭氧水製造裝置。
在高濃度做臭氧水的方法如下所示。
1 降低超純水的溫度使臭氧濃度上昇
2 提高臭氧氣體壓力使它強制溶解
3 根據 pH 調整(添加酸)遲緩臭氧的分解速
度
4 提高臭氧產生效率
從洗淨過程的觀點，可將臭氧水洗淨在常
溫常壓下使用，3、4的方法優點是居多，可
被考慮。作為一個方法，根據藉由特殊方法添
圖 13 各種洗淨方式後的殘留有機物所示 FTIR 頻譜
加 碳 酸 氣體和 舊 的 方式做 比 較 ，提出 高 濃 度
(100ppm)臭氧水的製造技術。高濃度臭氧水是
．降低超純水洗滌量。 淡淡的青色，目視之下即可確認。因此不需要
(2) 運用上的成本。 加壓，從洗淨槽裡面的臭氧水不會產生氣泡。
．不適用藥品保管法的規制。 利用高濃度臭氧水，縮短洗淨時間的和提高汙
．可能根據地點穩定供給。 染物除去效率是令人期待的。作為高濃度臭氧
水 的 適 用範圍 例 子 ，正考 慮 使 用阻抗 剝 離 工
5.2 根據機能水洗淨效果 程。在過去的濃度(20ppm)，想要完全除去阻抗
在半導體和液晶洗淨的範圍，為了在表面 是很困難的，使用高濃度的臭氧方式則變成可
除去附著的微粒子，在超純水鹼藥品和溶解氫 能的，對於阻抗剝離的應用是令人期待的。
此外，添加碳酸在臭氧水，和過去的臭氧
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水比較在搬臭氧濃度衰減被遲緩了，從臭氧水 (4) 杉 山 勇 ， 遠 藤 睦 子 ： 空 氣 清 淨 ， 43(6)，
製 造 裝 置開始 變 成 可以是 距 離 供給較 遠 的 地 423-430(2006)。
點。此外，現在使用 20ppm 臭氧水的過程，在 (5) Y.Noguchi and S.Inagaki：”EDI technology in
5 倍為 100ppm 的高濃度臭氧水可以被稀釋成 5 POWER Plant Application”，6th
倍量的 20ppm 臭氧水。發揮過去裝設 5 台的能 SYMPOSIUM ON SINO-JAPANESE
力也是令人期待的。 FOSSILE POWER PLANT WATER
用氫氣水和臭氧水當成洗淨水，和用藥品 TREATMENT，p.25，Tokyo(2001)。
舊型的洗淨廢水做比較，藥品和不純物的濃度 (6) H.Sugawara，Y.Tajima and
是非常低濃度而降低環境的負載。大體上，期 T.Ohmi：”Photoresist developer reclamation
待廢水處理價錢降低。可作為超純水的純水的 technology and system”，2001IEEE
應用，正考慮確保水資源的貢獻度。 International Symposium on Semiconductor
Manufacturing，pp.481-484，Santa Clara，
6.結論 Octorber(2001)。
面對半導體、液晶工廠的超純水製造裝 (7) 菅原廣，田嶋義宣，大見忠弘：電子情報
置，供給穩定且非常高純度的超純水是有此需 通信學會技術研究報告，101(350)，二氧化
求。滿足 ITRS 的水質基準供給超純水成為目 矽材料、裝置(電子情報通信學會)，
標，在提高其他方面性能的新規技術也正被提 39-44(2001)。
出。最近，根據作為替代過去藥品使用洗淨機 (8) 杉山勇：超純水製造裝置，「超 LSI 製造、
能水正被開發，大量的降低對環境的負載。 試驗裝置手冊 2004 年版」，工業調查會，
從環境面、維修負荷、必要的空間等多方 (2003)。
面的改良技術今後相繼被提出令人期待。 (9) T.Ohmi：Scientific Wet Process Technology
for Innovative LSI/FPD，Taylor＆Francis，
p.90，(2006)。
參考文獻
(10) 大見忠弘：「潮濕的自然科學開拓革命產
(1) 編輯部：化學裝置，45(2)，62(2003)。
品」，p.58，(2001)。
(2) 杉山勇：用水和廢水，(2003)。
★本文承經濟部能源局經費贊助，特此致謝！
(3) The International Technology Roadmap for
Semiconductors(2005)。
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