某半導體超純水制備系統工藝介紹和造價分析

王玉兵，李軍冠

（江蘇中電創新環境科技有限公司，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，使其成分無限趨近于100%的水分子，25℃時理論電阻率可達18.3 MΩ·cm[1]，以應用于對水質純度要求極高的場合。在半導體產品生產過程中，超純水主要用于清洗各種產品，其水質對產品質量、性能會產生重大影響，穩定的超純水制備系統成為半導體產線不可或缺的配套系統之一。

目前，在半導體行業得到廣泛應用的超純水制備技術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、出水水質穩定、工藝成熟、運行穩定、操作難度低、運行成本低等優點。

1 項目概況

1.1 水質水量

本項目為某半導體行業配套超純水制備系統，地處華南地區，建設時間為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）系統進水量為90 m3/h。LOOP（循環）回水率為50%，即回水量為100 m3/h。純水制備系統進水水源為市政自來水，DⅠR系統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、出水主要水質指標如表1所示。UPW主要水質指標如表2所示。

表1 進、出水主要水質指標

表2 UPW主要水質指標

1.2 材料品牌

主體材料均選用國內外一線品牌，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-遠東。國外品牌材料來源主要為原裝進口，少量為國內生產。

2 工藝設計

根據本項目水量規模、水質要求、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，該工藝路線已經過大量實踐項目驗證。系統設計為24 h運行，主要設備采用“3用1備”配置，以滿足系統再生、維護的需求。系統在4 h無回收水、100%自來水補水情況下，滿足UPW產水水量與水質需求。

2.1 工藝流程

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

2.1.1 前處理系統

2.1.1.1 預處理系統

預處理系統工藝流程為原水池→原水泵→換熱器→多介質過濾器（以下簡稱“MMF”）→過濾水池。原水池采用鋼砼結構、內部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用水需求。原水經原水泵輸送至換熱器進行溫度調節，使原水水溫穩定在（23±1）℃，投入適當比例的絮凝劑和殺菌劑后，進入MMF去除懸浮固體（SS），產水進入過濾水池。過濾水池（鋼砼結構、內部FRP防腐）用于接收、存儲DⅠR回收水。

2.1.1.2 2B3T系統

2B3T系統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產水進入陽床，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，在脫碳塔中經風機進行吹脫、去除。在陰床中，陰離子與陰樹脂發生離子交換，釋放的OH-與水中H+反應生成水，產水進入DⅠW水池。DⅠW水池（鋼砼結構、內部FRP防腐）用于接收、存儲后道RO系統產生的RO濃水。

2.1.2 MAKE UP系統

2.1.2.1 RO系統

RO系統工藝流程為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RO供水泵輸送至UV進行紫外殺菌，防止RO系統細菌滋生，經保安過濾器（過濾精度5 μm）過濾、降低SDⅠ，由RO高壓泵增壓后，進入RO系統進一步去除了離子和TOC。RO系統為2段式設計，回收率可達90%，出水進入RO水池（鋼砼結構、內部FRP防腐），水池做氮封處理。

2.1.2.2 混床系統

混床系統工藝流程為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RO供水泵輸送至用水點（50 m3/h），另一路經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、陽樹脂進行離子交換，進一步去除水中的陰、陽離子，出水電阻率可達18 MΩ·cm以上。MB出水經脫氣膜前過濾器（精度0.45 μm）過濾后進入脫氣膜，去除水中的DO，產水進入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

拋光系統工藝流程為UPW水箱→循環水泵→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水箱出水經循環水泵輸送至換熱器進行溫度調節，使水溫穩定在（23±1）℃，然后進入TOC-UV2進一步降低水中的TOC。產水經純水增壓泵輸送至拋光混床，在拋光樹脂作用下進一步去除水中的陰、陽離子后，由脫氣膜進一步去除水中的DO，產水經UF過濾后輸送至用水點。

2.1.4 DIR系統

DⅠR系統工藝流程為DⅠR判定水箱→DⅠR輸送水泵1→DⅠR調節水箱→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水泵輸送至DⅠR判定水箱暫存，通過在線儀表判定水質合格后輸送至DⅠR調節水箱，然后進入DⅠR系統進行處理。為防止系統細菌滋生，DⅠR系統設置了UV和過濾器，出水進入過濾水池，然后進入2B3T系統進行處理。

2.1.5 其他系統

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

2.2 主要設備配置

設計過程中，在充分滿足純水制備水質、水量要求的前提下，結合實踐經驗，兼顧投資經濟性，合理選擇設備、儀表等系統主要材料。

2.2.1 離心泵

離心泵數量采用“3+1”配置。根據工藝要求和工程經驗確定合適的流量、揚程。

根據介質種類，選擇匹配的過流材質：預處理系統和2B3T系統的水泵選用泵體鑄鐵/葉輪SS304材質（除脫碳塔水泵選用泵體/葉輪SS316材質），RO系統和混床系統的水泵選用泵體/葉輪SS304材質，拋光系統的水泵選用泵體/葉輪SS316材質。

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

2.2.2 MMF和ACF

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

2.2.3 2B3T

陽床和陰床均為碳鋼襯膠罐體，設計壓力為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；TOC-UV主要用于降解TOC，波長為185 nm，SS316材質。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。

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。

2.2.6 RO

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

2.2.7 MB

混床均為碳鋼襯膠罐體，設計壓力0.6 MPa，“3+1”配置，內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。

2.2.9 脫氣膜

脫氣膜1（混床后）共4組（“3+1”配置），單支規格為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，內襯PVDF、外部拋光處理，“3+1”配置，內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。

2.3 主要儀表配置

為保證FAB終端產品的品質和良品率，超純需水水質持續穩定達標，在線檢測儀表作為監控水質變化的有效手段，是超純水制備系統的重要組成部分。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備、傳輸介質的作用，根據介質種類、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、調節流量等作用，也是系統不可或缺的一部分，其材質選擇同管材相匹配，具體如表4所示。

表4 主要管道、閥門材質

2.5 控制系統設計

本系統按照以下原則設計：采用PLC進行數據采集和系統控制，整套流程可在上位機集中監控；控制系統分就地控制和遠程控制；操作站共2套，互為熱備用，通過畫面和鼠標器對系統進行監控。

室內安裝盤柜防護等級為ⅠP55，室外安裝盤柜防護等級為ⅠP66，板厚不低于2 mm。

3 造價組成分析

基于本系統工藝路線、設備配置和品牌選擇，對材料（含設備、儀表、管閥、電氣系統）部分造價進行統計、分析。

3.1 材料部分造價組成

根據材料種類及來源，將其分為國內設備、進口設備、國內儀表、進口儀表、國內管道、進口管道、閥門和電氣系統，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。進口材料（設備、儀表、管道）指原裝進口的材料，需經海關入境。其中，進口設備主要有RO膜、UV、TOC-UV、樹脂、脫氣膜、UF；進口儀表主要有TOC計、顆粒計、硅計、硼計、SDⅠ；進口管材主要有Clean-PVC、PVDF。

如圖1所示，設備是材料造價的主要組成部分（國內+進口），占比49.95%。其中尤以進口設備為主，占材料總價的比例為35.54%。設備是實現系統功能的關鍵，半導體行業對純水水質要求高，制備工藝對所用設備的性能、材質要求非常嚴苛，多為國際一線品牌，產品品牌溢價率較高，設備造價及占比相應較高。

儀表（國內+進口）占比達到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+進口，不含LOOP）合計占比22.18%，亦為系統造價的重要組成部分。超純水制備系統內，使用到的管材材質有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，其單價水平相比Clean-PVC、PVDF等材料較低。

電氣系統包含動力系統、自控系統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，確保系統運行穩定可靠。

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

3.2 各系統設備造價組成

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

圖2 各系統設備造價組成

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

3.3 主要設備造價組成

主要設備造價組成如圖3所示。從圖中可以看出，設備部分造價占比超過5%的設備有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57.77%，3者是決定設備造價的主要因素，TOC、電阻率、DO這3個重難點水質指標，相應核心處理設備造價同樣相當可觀；碳鋼罐使用大量鋼材，其造價與鋼材市場價格相關性很大，數量較多，造價整體占比7.63%；離心泵數量較多，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 主要設備造價組成

4 結語

離子交換法是超純水制備系統常用的2種成熟工藝路線之一，已在電子、醫藥、化工等行業超純水制備系統中得到廣泛應用，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計和設備配置，另一方面從材料部分造價組成、各系統設備造價組成、主要設備造價組成3個方面分析了項目造價情況：設備是影響材料部分造價的主要因素，占比接近50%；半導體超純水制備系統核心材料仍以進口為主；拋光系統和MAKE UP系統設備是設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，合計占設備總造價比例接近60%。本項目工藝設計、造價信息可供類似項目參考。