半導體制造的生命線：超純水水質參數檢測全解析

半導體制造被譽為工業領域的“皇冠明珠”，其生產過程對水質純凈度的要求達到了近乎苛刻的程度。超純水（UPW）作為貫穿晶圓清洗、蝕刻、光刻、化學機械研磨等核心工序的“工業血液”，其質量直接決定了芯片的良率、性能和可靠性。以下是半導體行業必須嚴格監控的核心水質參數及其重要性：

一、核心物理與化學指標

電阻率/電導率 (Resistivity/Conductivity)

意義： 衡量水中離子雜質總量的黃金標準，是超純水純度的最直接體現。

標準： 理論上最純水的極限電阻率為 18.24 MΩ·cm @ 25°C。半導體廠要求產水點持續穩定達到或無限接近此值 (通常>18.0 MΩ·cm)。任何下降都預示著Na、K、Cl、等離子的污染。常用臺式電導率水質測定儀進行檢測。

影響： 離子污染會導致柵氧化層缺陷、金屬導線腐蝕、結漏電流增大，嚴重降低器件性能和可靠性。

總有機碳 (Total Organic Carbon - TOC)

意義： 表征水中所有有機污染物（如溶劑殘留、微生物代謝物、管道浸出物）的總量。

標準： 要求控制在極低的 ppb (μg/L) 級別，先進制程要求通常 < 1 ppb 甚至更低。

影響： 有機物會在晶圓表面形成難以去除的“水痕”或有機膜，干擾光刻膠粘附與圖形形成，引起氧化層生長異常，并可能成為后續工藝中顆粒的來源。

顆粒物 (Particle Count)

意義： 檢測水中懸浮的固體微粒數量及粒徑分布。

標準： 關注 亞微米甚至納米級顆粒 (如 >0.05 μm, >0.1 μm)。要求每毫升水中特定粒徑的顆粒數嚴格控制在個位數或更低。

影響： 這是芯片制造的“致命殺手”。即使一個微小的顆粒落在關鍵區域，也可能導致電路短路（橋接）、斷路、柵氧擊穿，造成芯片直接報廢。隨著制程節點縮小（如3nm, 2nm），對更小粒徑顆粒的控制要求愈發嚴苛。

溶解性二氧化硅 (Dissolved Silica - DSiO? & Reactive Silica)

意義： 硅是半導體基底材料，但其溶解態形式是超純水系統中最難去除且危害極大的污染物之一。

標準： 需嚴格區分總硅、溶解硅和活性硅，并分別控制在極低 ppb 水平。

影響： 高溫工藝中，硅會在晶圓表面和精密設備（如擴散爐管）內析出形成堅硬、絕緣的硅垢（硅沉積），破壞器件結構，阻塞超細管路，導致良率暴跌和設備停機。

二、生物與氣體指標

微生物/細菌總數 (Total Viable Count - TVC or Bacteria)

意義： 監測水中微生物（細菌、真菌）的活性水平。

標準： 要求達到 <1 CFU (菌落形成單位)/100mL 甚至 <1 CFU/L 的“無菌”狀態。

影響： 微生物及其形成的生物膜（Biofilm）是顆粒物和TOC的重要來源。微生物代謝產物（有機酸、酶）會腐蝕材料、污染表面；死亡菌體成為顆粒；活菌可能在特定工藝中繁殖，造成災難性污染。

溶解氧 (Dissolved Oxygen - DO)

意義： 衡量水中溶解的氧氣含量。

控制策略： 需分工藝區別對待。某些清洗步驟需低氧甚至無氧環境（通過脫氧塔去除），以防止金屬氧化；而在分配循環系統中，維持一定量的DO（如ppb級）有助于抑制厭氧菌生長和減緩某些金屬的腐蝕速率（鈍化作用）。關鍵在于精確控制其濃度范圍。

半導體制造是“失之毫厘，謬以千里”的精密工程。一顆納米級的顆粒、一個ppb級別的離子、或一個未被察覺的細菌菌落，都足以毀掉價值數千美元的晶圓。因此，對上述水質參數的持續、精準、全面的檢測與控制，絕非簡單的合規要求，而是半導體工廠維持高良率、保障設備壽命、控制生產成本、并最終實現尖端芯片量產的核心競爭力所在。