水漬！不僅是日常小麻煩，更是半導體製程的大敵人
水是清潔中最重要的元素，它能溶解髒汙、帶走顆粒。自己洗車過的人都知道，殘留的水份若不盡快擦乾，反而使車子看起來更髒？其實是因為水裡頭的礦物質沉積在車身表面。在半導體製備的清潔過程中，水一樣扮演著重要的角色、更高的要求，水中的礦物質對於奈米級的材料，簡直是龐然大物，需透過多道手續除去水中的礦物質，並以氮氣迅速吹走殘留的水，才能確保最終的電子元件效能不受影響。
撰文｜黃鼎鈞
談到任何的清潔工作，不可或缺的就是「水」。水具有中性的酸鹼值（pH值）不會傷害人的肌膚，也不會傷害被清潔的物體表面。水亦是良好的溶劑，可以溶解大部分的汙垢和顆粒，帶走物體表面的雜質，不僅如此，它也容易與其他化學物質組合成清潔劑，例如：漂白劑就是次氯酸鹽和水的混合，水若是與碳酸鈉混合就可用來清除油漬。
但是水也可能使整個清潔工作功虧一簣。有洗車經驗的人是否都有這個經驗，最後用水沖掉所有泡沫後，一定要馬上將車身所有的水擦拭乾淨，否則車子上將會殘留一片片的白斑，也就是「水漬」，結果車子變得比沒洗還更髒。水漬的形成與水中含有的礦物質有關，若加上有些許的泡沫殘留，或太陽透過水滴聚焦，都會聚集礦物質且水滴迅速蒸發，不趕快將水擦掉好讓礦物質跟著水離開車身的話，不只會在車身表面形成白斑，還會侵蝕車身烤漆。換句話來說，用水做完清潔工作後，擦乾水的速度必須比礦物質沉積的速度快，才不會讓礦物質沉積下來。
當半導體工業不斷追求元件的製程良率時，晶圓的清潔也不能馬虎，在奈米的世界中，礦物的沉積對於原子來說是進擊的巨人，造成材料破損，也可能與材料本身產生預期外的化學反應，都將對元件效能產生極大的影響。相較於洗車，清洗晶圓勢必對水的品質有更高要求。
去離子水用在哪裡？可以喝嗎？
在半導體製程中，不能用平常生活中的自來水，因當中含有太多的礦物質，而是「去離子水（Deionization Water, DI water）」。礦物質在水中會以「離子」的狀態呈現。如水中常見的碳酸鈣（CaCO3）在水中以 Ca2+及CO32-- 的離子狀態呈現，透過「去離子」的過程能將水中的礦物除掉。去離子水的製作主要可以分為以下幾個步驟。
首先是「過濾」，將水中的大型顆粒去除，第二步則是透過一種合成的聚合物——樹脂床，進行離子交換，當水通過樹脂床時，水中礦物的正、負離子會與樹脂中的正離子H+ 及負離子OH- 進行交換，以碳酸鈣（CaCO3）為例，Ca2+ 及CO32- 會被吸附在樹脂中，H+ 及OH- 會被置換而形成水（H2O），這是除去礦物質的關鍵步驟。
接著還會「脫氣」除掉溶解在水中的氣體，特別是氧氣（O2）及二氧化碳（CO2），這些氣體極可能與製備的材料產生反應。這個過程主要讓水通過一個真空或低壓的環境，使得氣體逃離液體，這概念就像打開瓶裝可樂時，大氣壓力相對於可樂瓶內是低壓，會有許多的氣體冒出來。最後，會再次進行顆粒及雜質過濾，並以紫外線或高溫除滅水中的生物性雜質（如：細菌）。因此，去離子水被廣泛應用在科學材料實驗及半導體工業之中。
順帶一提，去離子水一般是不建議飲用的，雖然毫無雜誌近乎純淨，不過，裡頭幾乎不含礦物成分，反而可能造成人體「脫水」或「電解質失衡」的狀況。由於去離子水的製備需較高的成本，較少被應用在日常，生活中最接近去離子水狀態的則是RO逆滲透水（Reverse Osmosis），以逆滲透的方式，透過孔徑10埃至100埃的濾網，將大部分的離子（約95％）過濾掉，除去離子的方式不盡相同，而且去離子水是幾乎除去100 ％的離子。
沒有最乾淨、還有更乾淨
雖已盡可能地將水中的礦物質除去，在材料製程中，仍需盡快地將水份移除，避免清潔過程遺留的雜質沉積在材料內。洗車的時候可以用抹布吸水，不過，這對於奈米級的材料來說，簡直是磨砂紙擦嫩皮，會使材料損傷嚴重，甚至連材料本身都被擦除。
在半導體製程中，通常會使用高壓氮氣槍將遺留的水滴清除，氮氣屬於非活性氣體，空氣中有78％是氮氣，價格低廉且容易取得。另一種常見的方式則是將材料樣品放入乾燥器中（desiccator），透過機械幫補將空氣抽出，乾燥器中呈現真空狀態，使材料殘留的水份快速的蒸發。
水漬，說到底就是清潔後必須盡快「擦乾」的原因。從日常生活到奈米材料科技，清潔工作可能是個容易被忽視，卻極為重要的一環，若不謹慎處理，清潔反而弄巧成拙，正所謂水能載舟，亦能覆舟！
參考資料
- Ultraclean Surface Processing of Silicon Wafers- Secrets of VLSI Manufacturing, Takeshi Hattori, ISBN 978-3-642-08272-6