超純水有多純？為什麼晶圓廠很耗水

超純水，是把水裡除了水分子以外的東西幾乎全部拿掉的水：溶在水裡的離子、顆粒、有機物、氧氣和細菌，都要降到極低。晶圓廠拿它來沖洗晶圓。它有多純，常用「電阻率」來看：完全純的水在攝氏 25 度時，電阻率大約是 18.2 MΩ·cm（百萬歐姆公分），這是理論上的上限，晶圓廠要的就是貼著這個數字的水；自來水只有它的千分之一到萬分之一。晶圓在廠裡要洗很多次，所以一座先進的晶圓廠，一天要用好幾百萬加侖的超純水；做超純水本身，還會用掉更多原水。

晶圓為什麼要用這麼純的水洗？

晶圓在做的過程中，要泡很多次藥液：洗掉顆粒、有機物、金屬，或是把一層材料溶掉（濕蝕刻，見「蝕刻是什麼？乾蝕刻和濕蝕刻差在哪」）。泡完之後，藥液要馬上用水沖掉。最後碰到晶圓表面的，就是這一道沖洗的水：水裡有什麼，就可能留在晶圓上。

晶片上最細的線只有幾十奈米，甚至更細，一點點東西就會出事：

• 離子：像鈉這種離子，跑進電晶體裡很薄的絕緣層，會讓開關的特性跑掉；鐵、鎳這類金屬進到矽裡，電晶體就容易漏電。
• 顆粒：落在晶圓上，可能讓一條線斷掉，或讓兩條線連在一起。這件事「無塵室有多乾淨？」那篇講過，水裡的微粒也一樣。
• 有機物：在表面留下一層看不見的薄膜，下一層材料就長不好。
• 溶在水裡的氧：剛洗掉氧化層、露出來的矽，泡在含氧的水裡，會慢慢長回一層很薄的氧化層。
• 細菌：不管活的死的，都是顆粒和有機物；水停著不動的地方，它就會長。

所以超純水不只是「沒有鹽的水」，這五樣都要管。

為什麼用「電阻率」看純度？

純的水分子，本身幾乎不導電。自來水會導電，是因為裡面溶了鈣、鎂、鈉、氯這些帶電的小粒子，叫做離子，電流靠它們搬過去。所以水裡的離子越少，電越難通過，電阻就越高。電阻率，就是把「一樣大小的一塊水，電有多難通過」換成一個數字。

把離子全部拿掉，水也不會完全不導電：水分子自己會有極少數拆開，變成氫離子和氫氧根離子。這一點點離子定下了上限，25°C 時大約就是 18.2 MΩ·cm。自來水的電阻率大約只有幾千到兩萬歐姆公分，差了一千倍到一萬倍。

電阻率很靈敏：混進一點點離子，它就往下掉；連空氣裡的二氧化碳溶進水裡，都會讓水變得比較導電。所以廠裡的電阻率計直接裝在管子上，一直量。電阻率往下掉，就是有離子跑進來了，例如去除離子的那一段快用完了。

不過，電阻率只看得到離子。顆粒、有機物、溶氧、細菌，都要用別的儀器另外量。

超純水怎麼做出來？

大致是一關一關，把不要的東西拿掉。細節各廠不一樣，常見的有這幾關：

1. 先過濾：原水先濾掉泥沙和懸浮的東西，免得堵住後面的膜。
2. 逆滲透：用壓力把水擠過一層很細的膜。大部分溶在水裡的鹽類和有機物過不去，留在另一邊。
3. 離子交換：讓水流過裝滿樹脂小珠子的桶子。樹脂把剩下的離子抓住，換出氫離子和氫氧根離子，兩個合起來又是水。樹脂抓滿了，就要換新的或再生。
4. 紫外線：照很強的紫外光，把殘留的微量有機物打碎，也順便殺菌。
5. 脫氣：把溶在水裡的氧和其他氣體抽出來。
6. 最後再過濾：用孔更細的膜，擋下最小的顆粒。

做好的水不是裝在桶子裡等人來用，而是在一條環狀的管路裡一直繞：送到每一台機台旁邊，沒用到的流回來，再處理一次。水一直在動，細菌比較不容易長。管子的材料也要挑：管壁本身也可能溶出一點東西到水裡，所以多用特別挑過的塑膠管，不用一般的金屬管。這套系統跟整座廠一樣，24 小時不停（見「晶圓廠為什麼 24 小時不停？」）。

為什麼晶圓廠這麼耗水？

主要有三個原因：

1. 洗的次數多：晶片是一層一層疊出來的，每疊一層，晶圓都要洗好幾次；清洗是整條流程裡重複次數最多的步驟之一（見「晶圓廠七個製程區各在做什麼？」）。每泡完一次藥液，就要用超純水沖乾淨，而生產線上同時有成千上萬片晶圓在走。
2. 做超純水本身就會用掉更多水：逆滲透擋下來的鹽類和雜質，會留在一股比較濃的水裡排掉。所以要做出一份超純水，得先抽進不只一份的原水。
3. 不只拿來沖晶圓：機台的熱要靠冷卻水帶走，最後在冷卻水塔散掉，那裡會蒸發掉不少水；有些機台的尾氣處理也用水洗廢氣。這些地方用的水不必那麼純，但量也不小。

光是超純水，一座先進的晶圓廠一天就要用好幾百萬加侖。一加侖大約 3.8 公升；一座奧運規格的游泳池，大約裝 250 萬公升（約 66 萬加侖）。每天用掉的，差不多是好幾座游泳池。

用過的水去哪裡？能回收嗎？

能，晶圓廠也很在意這件事。用過的水不會全部倒在一起，而是照髒的程度分開收：

• 比較乾淨的：例如最後幾道沖洗的水，裡面只多了一點點東西。檢查過、處理過，可以送回去當做超純水的原水。
• 沒那麼乾淨的：拿去冷卻水塔、洗廢氣這些不需要那麼純的地方，再用一次。
• 藥液比較多的：先處理到符合排放的規定，才能排出去。

回收時最麻煩的東西之一，是一些很小、又不帶電的有機分子，例如有些清洗時會用到的溶劑。逆滲透和離子交換都不太抓得到它們；混進回收的水裡，就可能一路跑進超純水。所以回收的水要一直量，不對勁就不收。

在 fab24hr 裡

在 fab24hr，超純水是廠務在顧的。按「進廠」、選「打工人的一天」，在「今天你是」卡片上點「量產廠」、左右滑到廠務工程師：深夜班在中控室值夜，牆上一整面是全廠的水、電、氣體、化學品，其中一格是超純水，電阻率停在最上面那一格；凌晨四點左右，純水系統要例行切換到另一組設備，切完要看電阻率有沒有動。當蝕刻製程工程師或製造部，早班、午班可能遇到隨機事件「超純水的電阻率在掉」，要決定先停下清洗、等廠務，還是照洗。清洗的製程和設備工程師顧的是 WET-05：一排槽，泡藥液、用超純水沖、甩乾。遊戲裡的廠、人物、機台編號和時間都是虛構的，也沒有寫這座廠用多少水、回收多少；超純水有多純、怎麼做、為什麼耗水，照公開的一般資料寫。其他行話可以到「半導體晶圓廠的行話，白話解釋」查。