Большая химия: сверхчистая вода

Sep 20, 2023

Моя первая работа после аспирантуры была в биотехнологической компании в Кембридже, штат Массачусетс. Это была небольшая лаборатория, и у каждого была «лабораторная работа» в дополнение к той научной работе, которой их нанимали, — задача по поддержанию общих помещений лаборатории. Моя работа заключалась в обслуживании систем очистки воды, которые обеспечивали достаточный запас чистой деионизированной воды для работы. Работа заключалась в основном в замене фильтров и ионообменных картриджей агрегатов окончательной доводки, которые очищали водопроводную воду в достаточной для науки степени.

Когда я менял фильтр-пакеты, меня всегда поражали и возмущали слои слизи и осадка в них. Взглянув в окно на берег реки Чарльз — обожаю эту грязную воду — было достаточно, чтобы объяснить то, что я видел, и это был урок того, как много других вещей смешивается с водой, которую вы пьете и готовите, и купаться.

Хотя мы, люди, обычно можем неплохо справляться с водой, которая оценивается как достаточно чистая, наши промышленные процессы — это совсем другое дело. Все, от электростанций до фармацевтических производств, нуждается в воде гораздо более высокой чистоты, но ничто не требует более чистой воды, чем специализированные нанометровые операции на заводе по производству полупроводников. Но как обычная водопроводная вода превращается в химическое вещество такой чистоты, что содержание загрязняющих веществ измеряется в частях на триллион? И как фабрики производят достаточное количество этой сверхчистой воды для удовлетворения своих потребностей? С большой химией.

Хотя стандарты различаются в зависимости от отрасли, в целом уровень чистоты, достигаемый сверхчистой водой (UPW), почти невероятен и хуже по сравнению с чем-то вроде питьевой воды. Даже самая чистая питьевая вода на самом деле представляет собой сложную смесь растворенных в воде минералов и газов, а также большое количество взвешенных в ней твердых частиц. В качестве примера того, насколько UPW отличается от питьевой воды, Агентство по охране окружающей среды США устанавливает предел содержания хрома в питьевой воде на уровне всего 0,1 части на миллион. Но для UPW полупроводникового класса предел составляет 2 части на триллион — в 50 000 раз меньше!

Когда вы думаете о масштабах, используемых в производстве полупроводников, строгие стандарты UPW имеют смысл. Размер элементов, выгравированных на кремниевых пластинах, варьируется в зависимости от технологического узла, но текущие процессы могут быть легко остановлены частицей диаметром всего несколько нанометров. В масштабе частица коронавируса имеет размер порядка 100 нм. Контроль твердых частиц в UPW может быть неприятным, главным образом потому, что частицы могут попадать практически из любого места в трубопроводах, резервуарах, насосах и чанах с химикатами, используемыми в процессе очистки.

Частицы – не единственные загрязнения, с которыми приходится иметь дело. Хотя гладкие, чистые поверхности оборудования UPW на заводе могут показаться плохим местом для процветания жизни, бактерии доказали свою способность колонизировать даже самые неожиданные экологические ниши. Биопленки могут представлять собой огромную проблему для систем UPW, и они могут образовываться везде, где вода может скапливаться. Биопленки могут способствовать как загрязнению частицами, так и общему окисляемому углероду (ТОС, также известному как общий органический углерод), который по сути представляет собой остатки мертвых бактерий.

Помимо твердых частиц и TOC, другими основными источниками загрязнения UPW, как правило, являются водорастворимые вещества, такие как минералы и газы. Натрий вызывает серьезную озабоченность, главным образом потому, что он, как правило, является основным индикатором неисправности ионообменных смол, используемых для переработки UPW — подробнее об этом ниже. Силикаты также вызывают беспокойство, как и растворенные газы: кислород обладает высокой реакционной способностью и может легко окислять металлические слои, необходимые для создания чипа, а углекислый газ легко диссоциирует в воде с образованием углекислоты, что увеличивает проводимость воды и вредно для здоровья. к вафельным процессам.

Короче говоря, вода, которая будет использоваться для создания чипов, должна быть как можно ближе к «просто воде». Однако чтобы добиться этого, требуются значительные усилия. И дело не только в чистоте, но и в объеме. Фабрика по производству полупроводников использует ошеломляющее количество UPW — от двух до трех миллионов галлонов (7–12 миллионов литров) в день. Создание процессов, которые могут очищать такое количество воды до таких строгих требований, поддерживать ее чистоту до тех пор, пока она не понадобится, и перерабатывать ее, где это возможно, является огромной проблемой.