电子工艺化学原理讲义

过滤和深层过滤
砂滤器过滤 材料：石英、金刚砂、无烟煤和锰砂等； 结构：一般有六层、上大下小。 深层过滤器过滤 种类：线式蜂房滤芯、烧结滤芯； 效果：截留1微米以上的微粒； 去除胶状物、污浊物及除铁效果好。 微孔粗过滤 材料：醋酸纤维素与硝化纤维素混合物； 聚四氟乙烯膜（孔径0.22-0.45 μm)； 聚碳酸酯膜（孔径0.2 μm）。 效果：除去0.2-20 μm的细小悬浮物。
其它预处理工序（反渗透前工序）
• 加六偏磷酸钠[（NaPO3)6]防止结垢 原理：抗絮凝剂，防止渗透膜表面结垢； 应用计量：[Ca2+][SO42-]<9×10-6 时，不加； [Ca2+][SO42-]<1×10-4-2×10-4时，加5 ppm； [Ca2+][SO42-]<5×10-4-1×10-3 时，加20 ppm。
• 从微观上深刻理解重要的概念和原理；
• 从实用的角度出发，掌握每一部分的关键知识点，注意 知识点的窜接和对比。
高纯水的制备工艺
• 1.1 电子工业对高纯水要求 水中的杂质; 杂质对电子工业的影响(工艺、材料、器件）。 • 1.2 水的预处理 微粒沉降理论； 凝聚与澄清； 过滤和深层过滤； 吸附； 脱气处理； 其它（pH调节、水温调节、加氯杀菌、防垢）。 • 1.3 脱盐 反渗透； 电渗析； 离子交换树脂。 • 1.4 水的精处理 紫外线杀菌； 超过滤（UF）； 微孔精过滤（MF）。
郝建原
电子科技大学微电子与固体电子学院
本课程的学习方法
• 从宏观上把握课程的整体结构以及纯水制备工艺（7学时)； 高纯气体制备工艺（3学时)； 电子材料的清洗及制备工艺（3学时）。 • 电子工艺 集成电路芯片制造工艺（2学时）； 氧化工艺（2学时）； 扩散工艺（2学时)； 离子注入技术（2学时)； 光刻技术（3学时)； 组装和封装技术（2学时） 物理气相沉积（2学时)； 化学气相沉积（2学时） • 电子工艺中常用的化学材料 低介电常数材料（2学时,讨论课)； 聚合物膜材料（讨论课)； 光刻胶（讨论课)； 封装材料（讨论课）。
< (1-3) 5-40 < 0.2 < 0.3 < 0.1 -
< (1-2) < 40-60 < 0.1 < 0.3 < 0.3 -
一般 好 一般
好 好
微粒沉降理论
Stroke’s 定律
影响微粒沉降的因素
• ζ电势 微粒可因本身解离或吸附分散介 质中的离子而带电荷，形成双电层 结构。 • ζ电势越高,双电层越稳定 • 加入电解质可破坏双电层结构
项目 电渗析(ED) 离子交换柱 反渗透(RO) (中空纤维、聚酰 胺膜) < 0.3 4-11 < 3 0-35 < 0.1 < 0.1 < 0.05 浓水< 19×10-5 反渗透(RO) （卷式膜、醋酸 纤维膜） < 0.3 4-6.5 < 3 0-30 < 0.5 < 0.1 < 0.05 浓水< 19×10-5
悬浮物 (> 5μm ) 悬浮物 (> 2μm ) 微粒(>0.2μm ) 胶体(> 0.1μm ) 胶体(< 0.1μm ) 低分子有机物 高分子有机物 无机盐 微生物 细菌 热源 气体
各种水处理单元去除杂质的能力
表1-4 各种水处理工序除杂质的能力
凝聚粗 过滤 卷绕式 过滤器 活性碳 及大孔 树脂吸 附 电渗 析 反渗 透 复床 混床 紫外 杀菌 膜过 滤 超过 滤 蒸馏 脱气
无机高分子类絮凝剂
• 聚合氯化铝（PAC） 结构：[Al2(OH)nCl6-n]n 优点：a 絮凝体形成快、沉降速度快、净水性能好； b 对设备腐蚀少、操作条件好； c 适用广、可用于pH5.0-9.0之间各种水质。 缺点：生产过程长、价格较高
• 聚合硫酸铁（PFS） 结构：[Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]m 优点：a 絮体颗粒大、沉降速度快、容易分层澄清和过滤； b 适用广、可用于不同pH的各种水质； c 用量少、成本低。 缺点：对设备腐蚀大、水质不稳定
脱盐和精处理
表1-5 不同脱盐方法所要求的水中含盐量的上限值 脱盐方法 反渗透法 电渗析法 离子交换法 电解质浓度（ppm） 500-35000 200-10000 〈 500
高分子分离膜
• 固态分离膜 以特定形式限制和传递流体物质的分隔两相或两部分的界面； 被膜分割的流体物质可以是液态的，也可以是气态的； 膜至少具有两个界面，膜通过这两个界面与被分割的两侧流体接 触并进行传递； 分离膜对流体可以是完全透过性的，也可以也可以是半透过性 的，但不能是完全不透过性的。 • 高分子分离膜的优势 纳米尺度的分离； 活性组分的分离。
凝聚与澄清
• 微粒电荷特性 一般都带负电 • 絮凝剂 无机类低分子类（硫酸铝、氯化铝、硫酸铁、氯化铁)； 特点：比较经济、用法简单、絮凝效果低、成本高、腐蚀性强 无机高分子类[聚合氯化铝（PAC）、聚合硫酸铝（PAS）、聚合 氯化铁（PFC）、聚合硫酸铁（ PFS）]； 特点：絮凝效果好、价格低。 有机高分子类(聚丙烯酰胺、天然高分子）； 特点：絮凝效果好、可去除金属离子、中小分子有机、有色物质
其它预处理工序（反渗透前工序）
• 加氯杀菌 目的：防止细菌对反渗透膜的侵蚀和破坏； 原理：氯气或其他氯化消毒剂溶于水后,在常温下很快水解成次氯酸 (HOCL) CL2 + H2O →HOCL + H+ + CL2Ca(OCL)CL + 2H2O→HOCL + Ca(OH)2 + CaCL2 Ca(OCL)2 + 2H2O→2HOCL + Ca(OH)2 HOCL特点： 呈电中性 →易接近并吸附于微生物 分子小→颗粒小，易穿过微生物细胞壁 a. 影响细菌多种酶系统，损伤细胞膜，使蛋白、核酸释出致 细菌死亡； b. 强氧化剂，氧化病毒核酸，使病毒死亡。 此外氯加入水时，可产生氯胺，也有杀菌作用。
脱气处理
• 气体杂质 二氧化碳（气溶CO2，MeHCO3，MeCO3)； 氧气； 甲烷。 • 脱气原理 加酸使MeHCO3，MeCO3 转变CO2 • 脱气方法 鼓风脱气法（脱气塔，5 mg/L, 水从上面淋下，空气自下而上流 动）； 真空脱气（真空脱气塔，1 mg/L）。
其它预处理工序（反渗透前工序）
无机高分子类絮凝剂
• 单一无机高分子絮凝剂改性 将两种金属离子或两类阴离子组合在一起,利用它们之间的协同 效应，得到效果更佳的絮凝剂，比如: 含有二价SO42-配位基聚硫氯化铝，稳定性、除油效果优于 PAC； 由铝和铁组成的聚合氯化铝，絮凝效果优于PAC。 • 聚硅酸金属盐类絮凝剂 种类：聚硅酸铝盐、聚硅酸铁盐； 特点：絮凝效果好、价格便宜、含铝量低。 • 硼泥复合型絮凝剂 一类含有镁、铁、铝等无机酸高分子絮凝剂； 特点：价格便宜、效果好、原料来源广泛。 •
>2.5 >1 >0.05 120 279 434
高纯水的杂质对半导体工艺的影响
• 化学气相沉积工艺 改变沉积层晶相（离子杂质）； 生长厚度不均匀（颗粒杂质）。 蒸发及合金化工艺 金属层附着不易、导致引线断开（颗粒杂质）； 杂质与金属形成化合物、造成短路或断线 （离子杂质）。 清洗工艺 表1-2 硅片表面亮点情况
高分子分离膜的分类
表1-6 膜材料的分类
类别 纤维素酯类 膜材料 纤维素衍生物类 聚砜类 聚酰(亚)胺类 非纤维素酯类 聚酯、烯烃类 含氟(硅)类 其他 举 例 醋酸纤维素，硝酸纤维素，乙基纤维素等 聚砜，聚醚砜，聚芳醚砜，磺化聚砜等 聚砜酰胺，芳香族聚酰胺，含氟聚酰亚胺等 涤纶，聚碳酸酯，聚乙烯，聚丙烯腈等 聚四氟乙烯，聚偏氟乙烯，聚二甲基硅氧烷 等 壳聚糖，聚电解质等
水 未经过滤 用0.45μm膜过滤 用0.2μm膜过滤
7
•
•
光刻图形缺陷个数(个/cm2) 用未过滤的水清洗 用经过0.2 μm膜过滤的水清洗
< 1 < 1 < 1
亮点数(个/视场) 1-1000 5-10 2-8 1
超过滤水
1.2 水的预处理
预处理目的 除去泥沙、微粒、细菌、气体、部分电解质，减轻后处理（脱盐）负担 表1-3 除盐各工序对进水水质的要求
很好 很好 好
好 很好 一般 一般 好 好 很好 很好 好 一般 很好 一般 一般 很好 很好 一般 一般 很好 一般 一般 很好 好 很好 好 很好 很好 好 很好 好 很好 好 一般 一般 一般 很好 很好 很好 很好 很好 很好 很好 很好 很好 很好 很好
浊度(度) pH FI 水温（oC） 余氯 Fe (ppm) Mn (ppm) Al (ppm) [Ca2+][SO42-]
本课程的特点和重要性
• 学时 授课32学时；课堂讨论8个学时；前沿进展综述8个学时。
第一章 高纯水制备工艺
• 考试方式 期末闭卷考试（60%）；课堂讨论（15%）；前沿进展综述 （15%）；平时成绩（10%）。 • 重要性 化学与电子科学如何结合、化学在电子科学领域如何具体应 用的关键课程。 • 特点 多学科交叉；应用性强；知识点多。
• 原水pH调节 加酸调节原水pH值到酸性； 目的: a 防止钙、镁盐析出、结垢，堵塞反渗透膜的微孔； b 防止反渗透膜水解，比如醋酸纤维膜要求pH范围 为5-6.5。 • 水温调节 反渗透水温控制：20-25 oC,最高不超过40 oC； 原因：a 较高温度可加快水的产率，升高1度,产量增加2.5-%； b 较高温度可防止结垢； b 水温过高,反渗透膜会水解。
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吸附
• 原理 利用固体表面存在的不饱和键吸附周围介质中分子，达到富 集、分离的目的； 物理吸附、化学吸附、离子交换吸附。 • 目的 除去有机分子（小分子和大分子) • 种类 活性碳吸附； 大孔吸附树脂吸附。