某半导体超纯水制备系统工艺介绍和造价分析

王玉兵，李军冠

（江苏中电创新环境科技有限公司，江苏 无锡 214000）

超纯水要求尽可能去除水中的离子、DO（溶解氧）、TOC（总有机碳）等杂质，使其成分无限趋近于100%的水分子，25℃时理论电阻率可达18.3 MΩ·cm[1]，以应用于对水质纯度要求极高的场合。在半导体产品生产过程中，超纯水主要用于清洗各种产品，其水质对产品质量、性能会产生重大影响，稳定的超纯水制备系统成为半导体产线不可或缺的配套系统之一。

目前，在半导体行业得到广泛应用的超纯水制备技术主要有离子交换法和电去离子法（EDⅠ）[2]。其中，离子交换法主要通过离子交换树脂吸附水中的阴、阳离子，提高电阻率，同时配置去除DO、降解TOC的装置，该工艺具有制备水量大、出水水质稳定、工艺成熟、运行稳定、操作难度低、运行成本低等优点。

1 项目概况

1.1 水质水量

本项目为某半导体行业配套超纯水制备系统，地处华南地区，建设时间为2021年。超纯水（UPW）需水量为200 m3/h、初级纯水（RO水，主要用于冷冻站和锅炉房补水）需水量为50 m3/h，其中回收水（DⅠR）系统进水量为90 m3/h。LOOP（循环）回水率为50%，即回水量为100 m3/h。纯水制备系统进水水源为市政自来水，DⅠR系统回收水主要为工艺机台处收集的可以用于纯水制备的清洗水，进、出水主要水质指标如表1所示。UPW主要水质指标如表2所示。

表1 进、出水主要水质指标

表2 UPW主要水质指标

1.2 材料品牌

主体材料均选用国内外一线品牌，如离心泵-KSB、树脂-陶氏、UV-Aquafine、RO膜-海德能、脱气膜-Liquicel、超滤-Nitto Denko、PVDF管道-AGRU、硅计-Hach、TOC计-Sivers、颗粒计-PMS、变频器-Simens、电缆-远东。国外品牌材料来源主要为原装进口，少量为国内生产。

2 工艺设计

根据本项目水量规模、水质要求、前期投资、运行成本等多方面因素，本项目拟采用“离子交换法”作为超纯水制备工艺，该工艺路线已经过大量实践项目验证。系统设计为24 h运行，主要设备采用“3用1备”配置，以满足系统再生、维护的需求。系统在4 h无回收水、100%自来水补水情况下，满足UPW产水水量与水质需求。

2.1 工艺流程

本超纯水制备系统主体工艺流程为前处理系统→MAKE UP系统→抛光系统，详细说明如下。

2.1.1 前处理系统

2.1.1.1 预处理系统

预处理系统工艺流程为原水池→原水泵→换热器→多介质过滤器（以下简称“MMF”）→过滤水池。原水池采用钢砼结构、内部FRP防腐，用于储存自来水原水，在紧急停水情况下，其储水量可满足一定时间的系统用水需求。原水经原水泵输送至换热器进行温度调节，使原水水温稳定在（23±1）℃，投入适当比例的絮凝剂和杀菌剂后，进入MMF去除悬浮固体（SS），产水进入过滤水池。过滤水池（钢砼结构、内部FRP防腐）用于接收、存储DⅠR回收水。

2.1.1.2 2B3T系统

2B3T系统工艺流程为过滤水池→过滤水泵→活性炭过滤器（以下简称“ACF”）→阳床→脱碳塔→脱碳水池→脱碳水泵→阴床→去离子水池（以下简称“DⅠW水池”）。

过滤水（含DⅠR回收水）经过滤水泵输送至ACF，活性炭可吸附水中的胶体、余氯和TOC，防止树脂被氧化和污染。ACF产水进入阳床，阳树脂吸附水中的阳离子，同时释放H+，使pH降低，碳酸分解为CO2和水，在脱碳塔中经风机进行吹脱、去除。在阴床中，阴离子与阴树脂发生离子交换，释放的OH-与水中H+反应生成水，产水进入DⅠW水池。DⅠW水池（钢砼结构、内部FRP防腐）用于接收、存储后道RO系统产生的RO浓水。

2.1.2 MAKE UP系统

2.1.2.1 RO系统

RO系统工艺流程为DⅠW水池→DⅠW水泵→UV→保安过滤器→RO高压泵→RO→RO水池。

DⅠW（含RO浓水）通过2B经RO供水泵输送至UV进行紫外杀菌，防止RO系统细菌滋生，经保安过滤器（过滤精度5 μm）过滤、降低SDⅠ，由RO高压泵增压后，进入RO系统进一步去除了离子和TOC。RO系统为2段式设计，回收率可达90%，出水进入RO水池（钢砼结构、内部FRP防腐），水池做氮封处理。

2.1.2.2 混床系统

混床系统工艺流程为RO水池→TOC-UV→MB送水泵→混床（以下简称“MB”）→脱气膜前过滤器→脱气膜1→UPW水箱。

RO水池一路出水经RO供水泵输送至用水点（50 m3/h），另一路经MB送水泵输送至TOC-UV，水中有机物在185 nm紫外线作用下分解，然后在MB中分别与阴、阳树脂进行离子交换，进一步去除水中的阴、阳离子，出水电阻率可达18 MΩ·cm以上。MB出水经脱气膜前过滤器（精度0.45 μm）过滤后进入脱气膜，去除水中的DO，产水进入UPW水箱（FRP水箱），对水箱做氮封处理。UPW水箱同时用于接收LOOP回水。

2.1.3 抛光系统

抛光系统工艺流程为UPW水箱→循环水泵→换热器→TOC-UV2→纯水增压泵→抛光混床→脱气膜2→终端超滤（以下简称“UF”）→用水点。

UPW水箱出水经循环水泵输送至换热器进行温度调节，使水温稳定在（23±1）℃，然后进入TOC-UV2进一步降低水中的TOC。产水经纯水增压泵输送至抛光混床，在抛光树脂作用下进一步去除水中的阴、阳离子后，由脱气膜进一步去除水中的DO，产水经UF过滤后输送至用水点。

2.1.4 DIR系统

DⅠR系统工艺流程为DⅠR判定水箱→DⅠR输送水泵1→DⅠR调节水箱→DⅠR输送水泵2→DⅠR UV→DⅠR过滤器→过滤水池。

DⅠR收集箱中的回收水经水泵输送至DⅠR判定水箱暂存，通过在线仪表判定水质合格后输送至DⅠR调节水箱，然后进入DⅠR系统进行处理。为防止系统细菌滋生，DⅠR系统设置了UV和过滤器，出水进入过滤水池，然后进入2B3T系统进行处理。

2.1.5 其他系统

为维持主系统正常运行，以下系统作为本项目必不可少的有机组成部分，在设计过程中同步配置：MMF反洗再生、ACF反洗再生、化学品充填存储及加药、树脂再生、氮封，以及与为实现检测、输送、控制等功能而配套的仪表、阀门管道、电控等系统。

2.2 主要设备配置

设计过程中，在充分满足纯水制备水质、水量要求的前提下，结合实践经验，兼顾投资经济性，合理选择设备、仪表等系统主要材料。

2.2.1 离心泵

离心泵数量采用“3+1”配置。根据工艺要求和工程经验确定合适的流量、扬程。

根据介质种类，选择匹配的过流材质：预处理系统和2B3T系统的水泵选用泵体铸铁/叶轮SS304材质（除脱碳塔水泵选用泵体/叶轮SS316材质），RO系统和混床系统的水泵选用泵体/叶轮SS304材质，抛光系统的水泵选用泵体/叶轮SS316材质。

本项目为新建项目，平面空间较充裕，优先选用卧式泵，同时考虑检修方便，选用配置联轴器的泵型。

2.2.2 MMF和ACF

MMF和ACF均为碳钢衬胶罐体，设计压力为0.6 MPa，“3+1”配置，单套处理量为100 m3/h。其中，MMF内部装填无烟煤、石英砂、粗砂，ACF内部装填活性炭、粗砂，滤料装填量满足系统24 h运行需要。

2.2.3 2B3T

阳床和阴床均为碳钢衬胶罐体，设计压力为0.6 MPa，“3+1”配置，单套处理量为100 m3/h。单套阳床内部装填弱阳树脂和强阳树脂量分别为2 400 L和6 200 L，单套阴床内部装填弱阴树脂和强阴树脂量分别为4 600 L和3 800 L。

脱碳塔为FR P罐体，单台配置，处理量为300 m3/h，内部装填空心球。

2.2.4 UV和TOC-UV

UV主要用于杀菌，波长为256 nm，SS304材质；TOC-UV主要用于降解TOC，波长为185 nm，SS316材质。灯管使用寿命不小于8 000 h，装置安装于整体架台上，管道、法兰、阀门均采用SS304材质。

2.2.5 保安过滤器

保安过滤器用于滤除粒径5 μm以上的颗粒物，防止后道RO堵塞，“3+1”配置，壳体为SS304材质。

2.2.6 RO

RO系统共4组（“3+1”配置），单组为2段式设计（8+2），每支膜壳装填6支RO膜，膜壳为FRP材质，安装于整体架台上。

2.2.7 MB

混床均为碳钢衬胶罐体，设计压力0.6 MPa，“3+1”配置，内部从上往下依次装填强阴树脂和强阳树脂，阴、阳树脂装填量分别为1 800 L和900 L。

2.2.8 脱气膜前过滤器

脱气膜前过滤器用于滤除粒径0.45 μm以上的颗粒物，防止后道脱气膜堵塞，“2+1”配置，壳体为SS316材质。

2.2.9 脱气膜

脱气膜1（混床后）共4组（“3+1”配置），单支规格为14×28′，3支/组；脱气膜2（抛光混床后）共7组（6+1配置），单支规格为10×28′，2支/组。脱气膜安装于整体架台上，配置真空泵、换热器和汽水分离箱，用于去除溶解氧。

2.2.10 抛光混床

抛光混床主体为SS316，内衬PVDF、外部抛光处理，“3+1”配置，内部装填成品抛光树脂，单台装填量2 400 L。

2.2.11 UF

单只终端UF设计处理水量为15 m3/h，采用“20+2”配置，安装于整体架台上，管道、法兰均采用PVDF材质。

2.3 主要仪表配置

为保证FAB终端产品的品质和良品率，超纯需水水质持续稳定达标，在线检测仪表作为监控水质变化的有效手段，是超纯水制备系统的重要组成部分。主要仪表配置如表3所示。

表3 主要仪表配置

2.4 主要管道、阀门配置

管道起到连接各单体功能设备、传输介质的作用，根据介质种类、洁净度、腐蚀性和压力的不同，在不同的工艺段合理选择不同的管道种类。阀门起到控制通断、调节流量等作用，也是系统不可或缺的一部分，其材质选择同管材相匹配，具体如表4所示。

表4 主要管道、阀门材质

2.5 控制系统设计

本系统按照以下原则设计：采用PLC进行数据采集和系统控制，整套流程可在上位机集中监控；控制系统分就地控制和远程控制；操作站共2套，互为热备用，通过画面和鼠标器对系统进行监控。

室内安装盘柜防护等级为ⅠP55，室外安装盘柜防护等级为ⅠP66，板厚不低于2 mm。

3 造价组成分析

基于本系统工艺路线、设备配置和品牌选择，对材料（含设备、仪表、管阀、电气系统）部分造价进行统计、分析。

3.1 材料部分造价组成

根据材料种类及来源，将其分为国内设备、进口设备、国内仪表、进口仪表、国内管道、进口管道、阀门和电气系统，各部分造价组成如图1所示。

图1 材料部分造价组成

管材不含LOOP。进口材料（设备、仪表、管道）指原装进口的材料，需经海关入境。其中，进口设备主要有RO膜、UV、TOC-UV、树脂、脱气膜、UF；进口仪表主要有TOC计、颗粒计、硅计、硼计、SDⅠ；进口管材主要有Clean-PVC、PVDF。

如图1所示，设备是材料造价的主要组成部分（国内+进口），占比49.95%。其中尤以进口设备为主，占材料总价的比例为35.54%。设备是实现系统功能的关键，半导体行业对纯水水质要求高，制备工艺对所用设备的性能、材质要求非常严苛，多为国际一线品牌，产品品牌溢价率较高，设备造价及占比相应较高。

仪表（国内+进口）占比达到19.20%，仪表造价较高，这也是本项目的一个显著特点。目前，稳定性好、高精度的仪表仍以国外品牌为主，其价格不菲，造成仪表造价大幅提高。

管阀（国内+进口，不含LOOP）合计占比22.18%，亦为系统造价的重要组成部分。超纯水制备系统内，使用到的管材材质有UPVC、SS304、SS316、Clean-PVC、PVDF、Clear-PVC等。其中，UPVC、SS304管材用量较大，2种管材属于常用材料，均来源于国内，其单价水平相比Clean-PVC、PVDF等材料较低。

电气系统包含动力系统、自控系统和电缆桥架等电气材料，整体占比8.67%，配件、材料均选用一线品牌，确保系统运行稳定可靠。

进口部分材料造价合计占比达57.61%，大于国内部分材料。此外，部分国内材料虽然在国内生产，但仍属于国外品牌（如离心泵品牌KSB），整体来看，超纯水制备系统材料对国外品牌依赖度极高。

3.2 各系统设备造价组成

设备造价是影响超纯水制备材料造价的主要因素，且设备具有功能明确、易于划分到各工艺系统的特点，分析各工艺系统的设备造价情况，有助于加深对超纯水制备项目造价的了解。本项目各工艺系统造价如图2所示。

图2 各系统设备造价组成

从图2中可以看出，各工艺系统造价占比由大到小依次为：抛光＞MAKE UP＞前处理＞DⅠR＞化学品及其他。抛光系统和MAKE UP系统造价最高，原因是系统设备以树脂、脱气膜、TOC-UV、UF、RO等价格昂贵的设备为主；前处理系统中，虽然树脂使用量较大，但其他主要设备，如碳钢罐、离心泵，价格相对便宜；DⅠR系统设备种类、数量较少，其造价有限；化学品及其他系统设备主要为FRP罐体、磁力泵和计量泵，价格较低。

3.3 主要设备造价组成

主要设备造价组成如图3所示。从图中可以看出，设备部分造价占比超过5%的设备有TOC-UV、树脂、脱气膜、碳钢罐、离心泵、UF。其中，TOC-UV、树脂和脱气膜造价合计占比达57.77%，3者是决定设备造价的主要因素，TOC、电阻率、DO这3个重难点水质指标，相应核心处理设备造价同样相当可观；碳钢罐使用大量钢材，其造价与钢材市场价格相关性很大，数量较多，造价整体占比7.63%；离心泵数量较多，但其单价较低，整体造价占比为6.55%；UF单价较高，造价占比5.18%。

图3 主要设备造价组成

4 结语

离子交换法是超纯水制备系统常用的2种成熟工艺路线之一，已在电子、医药、化工等行业超纯水制备系统中得到广泛应用，也是最适合本项目需求的工艺路线。本文一方面详述了项目的工艺设计和设备配置，另一方面从材料部分造价组成、各系统设备造价组成、主要设备造价组成3个方面分析了项目造价情况：设备是影响材料部分造价的主要因素，占比接近50%；半导体超纯水制备系统核心材料仍以进口为主；抛光系统和MAKE UP系统设备是设备总造价的绝对主体，占比接近70%；TOC-UV、树脂、脱气膜价格昂贵，合计占设备总造价比例接近60%。本项目工艺设计、造价信息可供类似项目参考。