某半導(dǎo)體超純水制備系統(tǒng)工藝介紹和造價分析

王玉兵，李軍冠

（江蘇中電創(chuàng)新環(huán)境科技有限公司，江蘇 無錫 214000）

超純水要求盡可能去除水中的離子、DO（溶解氧）、TOC（總有機碳）等雜質(zhì)，使其成分無限趨近于100%的水分子，25℃時理論電阻率可達(dá)18.3 MΩ·cm[1]，以應(yīng)用于對水質(zhì)純度要求極高的場合。在半導(dǎo)體產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，超純水主要用于清洗各種產(chǎn)品，其水質(zhì)對產(chǎn)品質(zhì)量、性能會產(chǎn)生重大影響，穩(wěn)定的超純水制備系統(tǒng)成為半導(dǎo)體產(chǎn)線不可或缺的配套系統(tǒng)之一。

目前，在半導(dǎo)體行業(yè)得到廣泛應(yīng)用的超純水制備技術(shù)主要有離子交換法和電去離子法（EDⅠ）[2]。其中，離子交換法主要通過離子交換樹脂吸附水中的陰、陽離子，提高電阻率，同時配置去除DO、降解TOC的裝置，該工藝具有制備水量大、出水水質(zhì)穩(wěn)定、工藝成熟、運行穩(wěn)定、操作難度低、運行成本低等優(yōu)點。

1 項目概況

1.1 水質(zhì)水量

本項目為某半導(dǎo)體行業(yè)配套超純水制備系統(tǒng)，地處華南地區(qū)，建設(shè)時間為2021年。超純水（UPW）需水量為200 m3/h、初級純水（RO水，主要用于冷凍站和鍋爐房補水）需水量為50 m3/h，其中回收水（DⅠR）系統(tǒng)進(jìn)水量為90 m3/h。LOOP（循環(huán)）回水率為50%，即回水量為100 m3/h。純水制備系統(tǒng)進(jìn)水水源為市政自來水，DⅠR系統(tǒng)回收水主要為工藝機臺處收集的可以用于純水制備的清洗水，進(jìn)、出水主要水質(zhì)指標(biāo)如表1所示。UPW主要水質(zhì)指標(biāo)如表2所示。

表1 進(jìn)、出水主要水質(zhì)指標(biāo)

表2 UPW主要水質(zhì)指標(biāo)

1.2 材料品牌

主體材料均選用國內(nèi)外一線品牌，如離心泵-KSB、樹脂-陶氏、UV-Aquafine、RO膜-海德能、脫氣膜-Liquicel、超濾-Nitto Denko、PVDF管道-AGRU、硅計-Hach、TOC計-Sivers、顆粒計-PMS、變頻器-Simens、電纜-遠(yuǎn)東。國外品牌材料來源主要為原裝進(jìn)口，少量為國內(nèi)生產(chǎn)。

2 工藝設(shè)計

根據(jù)本項目水量規(guī)模、水質(zhì)要求、前期投資、運行成本等多方面因素，本項目擬采用“離子交換法”作為超純水制備工藝，該工藝路線已經(jīng)過大量實踐項目驗證。系統(tǒng)設(shè)計為24 h運行，主要設(shè)備采用“3用1備”配置，以滿足系統(tǒng)再生、維護(hù)的需求。系統(tǒng)在4 h無回收水、100%自來水補水情況下，滿足UPW產(chǎn)水水量與水質(zhì)需求。

2.1 工藝流程

本超純水制備系統(tǒng)主體工藝流程為前處理系統(tǒng)→MAKE UP系統(tǒng)→拋光系統(tǒng)，詳細(xì)說明如下。

2.1.1 前處理系統(tǒng)

2.1.1.1 預(yù)處理系統(tǒng)

預(yù)處理系統(tǒng)工藝流程為原水池→原水泵→換熱器→多介質(zhì)過濾器（以下簡稱“MMF”）→過濾水池。原水池采用鋼砼結(jié)構(gòu)、內(nèi)部FRP防腐，用于儲存自來水原水，在緊急停水情況下，其儲水量可滿足一定時間的系統(tǒng)用水需求。原水經(jīng)原水泵輸送至換熱器進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，使原水水溫穩(wěn)定在（23±1）℃，投入適當(dāng)比例的絮凝劑和殺菌劑后，進(jìn)入MMF去除懸浮固體（SS），產(chǎn)水進(jìn)入過濾水池。過濾水池（鋼砼結(jié)構(gòu)、內(nèi)部FRP防腐）用于接收、存儲DⅠR回收水。

2.1.1.2 2B3T系統(tǒng)

2B3T系統(tǒng)工藝流程為過濾水池→過濾水泵→活性炭過濾器（以下簡稱“ACF”）→陽床→脫碳塔→脫碳水池→脫碳水泵→陰床→去離子水池（以下簡稱“DⅠW水池”）。

過濾水（含DⅠR回收水）經(jīng)過濾水泵輸送至ACF，活性炭可吸附水中的膠體、余氯和TOC，防止樹脂被氧化和污染。ACF產(chǎn)水進(jìn)入陽床，陽樹脂吸附水中的陽離子，同時釋放H+，使pH降低，碳酸分解為CO2和水，在脫碳塔中經(jīng)風(fēng)機進(jìn)行吹脫、去除。在陰床中，陰離子與陰樹脂發(fā)生離子交換，釋放的OH-與水中H+反應(yīng)生成水，產(chǎn)水進(jìn)入DⅠW水池。DⅠW水池（鋼砼結(jié)構(gòu)、內(nèi)部FRP防腐）用于接收、存儲后道RO系統(tǒng)產(chǎn)生的RO濃水。

2.1.2 MAKE UP系統(tǒng)

2.1.2.1 RO系統(tǒng)

RO系統(tǒng)工藝流程為DⅠW水池→DⅠW水泵→UV→保安過濾器→RO高壓泵→RO→RO水池。

DⅠW（含RO濃水）通過2B經(jīng)RO供水泵輸送至UV進(jìn)行紫外殺菌，防止RO系統(tǒng)細(xì)菌滋生，經(jīng)保安過濾器（過濾精度5 μm）過濾、降低SDⅠ，由RO高壓泵增壓后，進(jìn)入RO系統(tǒng)進(jìn)一步去除了離子和TOC。RO系統(tǒng)為2段式設(shè)計，回收率可達(dá)90%，出水進(jìn)入RO水池（鋼砼結(jié)構(gòu)、內(nèi)部FRP防腐），水池做氮封處理。

2.1.2.2 混床系統(tǒng)

混床系統(tǒng)工藝流程為RO水池→TOC-UV→MB送水泵→混床（以下簡稱“MB”）→脫氣膜前過濾器→脫氣膜1→UPW水箱。

RO水池一路出水經(jīng)RO供水泵輸送至用水點（50 m3/h），另一路經(jīng)MB送水泵輸送至TOC-UV，水中有機物在185 nm紫外線作用下分解，然后在MB中分別與陰、陽樹脂進(jìn)行離子交換，進(jìn)一步去除水中的陰、陽離子，出水電阻率可達(dá)18 MΩ·cm以上。MB出水經(jīng)脫氣膜前過濾器（精度0.45 μm）過濾后進(jìn)入脫氣膜，去除水中的DO，產(chǎn)水進(jìn)入UPW水箱（FRP水箱），對水箱做氮封處理。UPW水箱同時用于接收LOOP回水。

2.1.3 拋光系統(tǒng)

拋光系統(tǒng)工藝流程為UPW水箱→循環(huán)水泵→換熱器→TOC-UV2→純水增壓泵→拋光混床→脫氣膜2→終端超濾（以下簡稱“UF”）→用水點。

UPW水箱出水經(jīng)循環(huán)水泵輸送至換熱器進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，使水溫穩(wěn)定在（23±1）℃，然后進(jìn)入TOC-UV2進(jìn)一步降低水中的TOC。產(chǎn)水經(jīng)純水增壓泵輸送至拋光混床，在拋光樹脂作用下進(jìn)一步去除水中的陰、陽離子后，由脫氣膜進(jìn)一步去除水中的DO，產(chǎn)水經(jīng)UF過濾后輸送至用水點。

2.1.4 DIR系統(tǒng)

DⅠR系統(tǒng)工藝流程為DⅠR判定水箱→DⅠR輸送水泵1→DⅠR調(diào)節(jié)水箱→DⅠR輸送水泵2→DⅠR UV→DⅠR過濾器→過濾水池。

DⅠR收集箱中的回收水經(jīng)水泵輸送至DⅠR判定水箱暫存，通過在線儀表判定水質(zhì)合格后輸送至DⅠR調(diào)節(jié)水箱，然后進(jìn)入DⅠR系統(tǒng)進(jìn)行處理。為防止系統(tǒng)細(xì)菌滋生，DⅠR系統(tǒng)設(shè)置了UV和過濾器，出水進(jìn)入過濾水池，然后進(jìn)入2B3T系統(tǒng)進(jìn)行處理。

2.1.5 其他系統(tǒng)

為維持主系統(tǒng)正常運行，以下系統(tǒng)作為本項目必不可少的有機組成部分，在設(shè)計過程中同步配置：MMF反洗再生、ACF反洗再生、化學(xué)品充填存儲及加藥、樹脂再生、氮封，以及與為實現(xiàn)檢測、輸送、控制等功能而配套的儀表、閥門管道、電控等系統(tǒng)。

2.2 主要設(shè)備配置

設(shè)計過程中，在充分滿足純水制備水質(zhì)、水量要求的前提下，結(jié)合實踐經(jīng)驗，兼顧投資經(jīng)濟(jì)性，合理選擇設(shè)備、儀表等系統(tǒng)主要材料。

2.2.1 離心泵

離心泵數(shù)量采用“3+1”配置。根據(jù)工藝要求和工程經(jīng)驗確定合適的流量、揚程。

根據(jù)介質(zhì)種類，選擇匹配的過流材質(zhì)：預(yù)處理系統(tǒng)和2B3T系統(tǒng)的水泵選用泵體鑄鐵/葉輪SS304材質(zhì)（除脫碳塔水泵選用泵體/葉輪SS316材質(zhì)），RO系統(tǒng)和混床系統(tǒng)的水泵選用泵體/葉輪SS304材質(zhì)，拋光系統(tǒng)的水泵選用泵體/葉輪SS316材質(zhì)。

本項目為新建項目，平面空間較充裕，優(yōu)先選用臥式泵，同時考慮檢修方便，選用配置聯(lián)軸器的泵型。

2.2.2 MMF和ACF

MMF和ACF均為碳鋼襯膠罐體，設(shè)計壓力為0.6 MPa，“3+1”配置，單套處理量為100 m3/h。其中，MMF內(nèi)部裝填無煙煤、石英砂、粗砂，ACF內(nèi)部裝填活性炭、粗砂，濾料裝填量滿足系統(tǒng)24 h運行需要。

2.2.3 2B3T

陽床和陰床均為碳鋼襯膠罐體，設(shè)計壓力為0.6 MPa，“3+1”配置，單套處理量為100 m3/h。單套陽床內(nèi)部裝填弱陽樹脂和強陽樹脂量分別為2 400 L和6 200 L，單套陰床內(nèi)部裝填弱陰樹脂和強陰樹脂量分別為4 600 L和3 800 L。

脫碳塔為FR P罐體，單臺配置，處理量為300 m3/h，內(nèi)部裝填空心球。

2.2.4 UV和TOC-UV

UV主要用于殺菌，波長為256 nm，SS304材質(zhì)；TOC-UV主要用于降解TOC，波長為185 nm，SS316材質(zhì)。燈管使用壽命不小于8 000 h，裝置安裝于整體架臺上，管道、法蘭、閥門均采用SS304材質(zhì)。

2.2.5 保安過濾器

保安過濾器用于濾除粒徑5 μm以上的顆粒物，防止后道RO堵塞，“3+1”配置，殼體為SS304材質(zhì)。

2.2.6 RO

RO系統(tǒng)共4組（“3+1”配置），單組為2段式設(shè)計（8+2），每支膜殼裝填6支RO膜，膜殼為FRP材質(zhì)，安裝于整體架臺上。

2.2.7 MB

混床均為碳鋼襯膠罐體，設(shè)計壓力0.6 MPa，“3+1”配置，內(nèi)部從上往下依次裝填強陰樹脂和強陽樹脂，陰、陽樹脂裝填量分別為1 800 L和900 L。

2.2.8 脫氣膜前過濾器

脫氣膜前過濾器用于濾除粒徑0.45 μm以上的顆粒物，防止后道脫氣膜堵塞，“2+1”配置，殼體為SS316材質(zhì)。

2.2.9 脫氣膜

脫氣膜1（混床后）共4組（“3+1”配置），單支規(guī)格為14×28′，3支/組；脫氣膜2（拋光混床后）共7組（6+1配置），單支規(guī)格為10×28′，2支/組。脫氣膜安裝于整體架臺上，配置真空泵、換熱器和汽水分離箱，用于去除溶解氧。

2.2.10 拋光混床

拋光混床主體為SS316，內(nèi)襯PVDF、外部拋光處理，“3+1”配置，內(nèi)部裝填成品拋光樹脂，單臺裝填量2 400 L。

2.2.11 UF

單只終端UF設(shè)計處理水量為15 m3/h，采用“20+2”配置，安裝于整體架臺上，管道、法蘭均采用PVDF材質(zhì)。

2.3 主要儀表配置

為保證FAB終端產(chǎn)品的品質(zhì)和良品率，超純需水水質(zhì)持續(xù)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，在線檢測儀表作為監(jiān)控水質(zhì)變化的有效手段，是超純水制備系統(tǒng)的重要組成部分。主要儀表配置如表3所示。

表3 主要儀表配置

2.4 主要管道、閥門配置

管道起到連接各單體功能設(shè)備、傳輸介質(zhì)的作用，根據(jù)介質(zhì)種類、潔凈度、腐蝕性和壓力的不同，在不同的工藝段合理選擇不同的管道種類。閥門起到控制通斷、調(diào)節(jié)流量等作用，也是系統(tǒng)不可或缺的一部分，其材質(zhì)選擇同管材相匹配，具體如表4所示。

表4 主要管道、閥門材質(zhì)

2.5 控制系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)按照以下原則設(shè)計：采用PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和系統(tǒng)控制，整套流程可在上位機集中監(jiān)控；控制系統(tǒng)分就地控制和遠(yuǎn)程控制；操作站共2套，互為熱備用，通過畫面和鼠標(biāo)器對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。

室內(nèi)安裝盤柜防護(hù)等級為ⅠP55，室外安裝盤柜防護(hù)等級為ⅠP66，板厚不低于2 mm。

3 造價組成分析

基于本系統(tǒng)工藝路線、設(shè)備配置和品牌選擇，對材料（含設(shè)備、儀表、管閥、電氣系統(tǒng)）部分造價進(jìn)行統(tǒng)計、分析。

3.1 材料部分造價組成

根據(jù)材料種類及來源，將其分為國內(nèi)設(shè)備、進(jìn)口設(shè)備、國內(nèi)儀表、進(jìn)口儀表、國內(nèi)管道、進(jìn)口管道、閥門和電氣系統(tǒng)，各部分造價組成如圖1所示。

圖1 材料部分造價組成

管材不含LOOP。進(jìn)口材料（設(shè)備、儀表、管道）指原裝進(jìn)口的材料，需經(jīng)海關(guān)入境。其中，進(jìn)口設(shè)備主要有RO膜、UV、TOC-UV、樹脂、脫氣膜、UF；進(jìn)口儀表主要有TOC計、顆粒計、硅計、硼計、SDⅠ；進(jìn)口管材主要有Clean-PVC、PVDF。

如圖1所示，設(shè)備是材料造價的主要組成部分（國內(nèi)+進(jìn)口），占比49.95%。其中尤以進(jìn)口設(shè)備為主，占材料總價的比例為35.54%。設(shè)備是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵，半導(dǎo)體行業(yè)對純水水質(zhì)要求高，制備工藝對所用設(shè)備的性能、材質(zhì)要求非常嚴(yán)苛，多為國際一線品牌，產(chǎn)品品牌溢價率較高，設(shè)備造價及占比相應(yīng)較高。

儀表（國內(nèi)+進(jìn)口）占比達(dá)到19.20%，儀表造價較高，這也是本項目的一個顯著特點。目前，穩(wěn)定性好、高精度的儀表仍以國外品牌為主，其價格不菲，造成儀表造價大幅提高。

管閥（國內(nèi)+進(jìn)口，不含LOOP）合計占比22.18%，亦為系統(tǒng)造價的重要組成部分。超純水制備系統(tǒng)內(nèi)，使用到的管材材質(zhì)有UPVC、SS304、SS316、Clean-PVC、PVDF、Clear-PVC等。其中，UPVC、SS304管材用量較大，2種管材屬于常用材料，均來源于國內(nèi)，其單價水平相比Clean-PVC、PVDF等材料較低。

電氣系統(tǒng)包含動力系統(tǒng)、自控系統(tǒng)和電纜橋架等電氣材料，整體占比8.67%，配件、材料均選用一線品牌，確保系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。

進(jìn)口部分材料造價合計占比達(dá)57.61%，大于國內(nèi)部分材料。此外，部分國內(nèi)材料雖然在國內(nèi)生產(chǎn)，但仍屬于國外品牌（如離心泵品牌KSB），整體來看，超純水制備系統(tǒng)材料對國外品牌依賴度極高。

3.2 各系統(tǒng)設(shè)備造價組成

設(shè)備造價是影響超純水制備材料造價的主要因素，且設(shè)備具有功能明確、易于劃分到各工藝系統(tǒng)的特點，分析各工藝系統(tǒng)的設(shè)備造價情況，有助于加深對超純水制備項目造價的了解。本項目各工藝系統(tǒng)造價如圖2所示。

圖2 各系統(tǒng)設(shè)備造價組成

從圖2中可以看出，各工藝系統(tǒng)造價占比由大到小依次為：拋光＞MAKE UP＞前處理＞DⅠR＞化學(xué)品及其他。拋光系統(tǒng)和MAKE UP系統(tǒng)造價最高，原因是系統(tǒng)設(shè)備以樹脂、脫氣膜、TOC-UV、UF、RO等價格昂貴的設(shè)備為主；前處理系統(tǒng)中，雖然樹脂使用量較大，但其他主要設(shè)備，如碳鋼罐、離心泵，價格相對便宜；DⅠR系統(tǒng)設(shè)備種類、數(shù)量較少，其造價有限；化學(xué)品及其他系統(tǒng)設(shè)備主要為FRP罐體、磁力泵和計量泵，價格較低。

3.3 主要設(shè)備造價組成

主要設(shè)備造價組成如圖3所示。從圖中可以看出，設(shè)備部分造價占比超過5%的設(shè)備有TOC-UV、樹脂、脫氣膜、碳鋼罐、離心泵、UF。其中，TOC-UV、樹脂和脫氣膜造價合計占比達(dá)57.77%，3者是決定設(shè)備造價的主要因素，TOC、電阻率、DO這3個重難點水質(zhì)指標(biāo)，相應(yīng)核心處理設(shè)備造價同樣相當(dāng)可觀；碳鋼罐使用大量鋼材，其造價與鋼材市場價格相關(guān)性很大，數(shù)量較多，造價整體占比7.63%；離心泵數(shù)量較多，但其單價較低，整體造價占比為6.55%；UF單價較高，造價占比5.18%。

圖3 主要設(shè)備造價組成

4 結(jié)語

離子交換法是超純水制備系統(tǒng)常用的2種成熟工藝路線之一，已在電子、醫(yī)藥、化工等行業(yè)超純水制備系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，也是最適合本項目需求的工藝路線。本文一方面詳述了項目的工藝設(shè)計和設(shè)備配置，另一方面從材料部分造價組成、各系統(tǒng)設(shè)備造價組成、主要設(shè)備造價組成3個方面分析了項目造價情況：設(shè)備是影響材料部分造價的主要因素，占比接近50%；半導(dǎo)體超純水制備系統(tǒng)核心材料仍以進(jìn)口為主；拋光系統(tǒng)和MAKE UP系統(tǒng)設(shè)備是設(shè)備總造價的絕對主體，占比接近70%；TOC-UV、樹脂、脫氣膜價格昂貴，合計占設(shè)備總造價比例接近60%。本項目工藝設(shè)計、造價信息可供類似項目參考。