Сверхчистая вода ( UPW ), высокочистая вода или высокоочищенная вода ( HPW ) — это вода , очищенная в соответствии с необычайно строгими требованиями. Сверхчистая вода — это термин, который обычно используется в производстве, чтобы подчеркнуть тот факт, что вода очищается до наивысшего уровня чистоты для всех типов загрязняющих веществ, включая: органические и неорганические соединения; растворенные и твердые частицы; летучие и нелетучие ; реактивные и инертные; гидрофильные и гидрофобные ; и растворенные газы .
UPW и обычно используемый термин деионизированная (DI) вода — это не одно и то же. Помимо того, что UPW удаляет органические частицы и растворенные газы, типичная система UPW имеет три этапа: этап предварительной обработки для получения очищенной воды , первичный этап для дальнейшей очистки воды и этап полировки, самая дорогая часть процесса очистки. [A]
Ряд организаций и групп разрабатывают и публикуют стандарты, связанные с производством UPW. Для микроэлектроники и энергетики они включают Semiconductor Equipment and Materials International ( SEMI ) (микроэлектроника и фотоэлектричество ), American Society for Testing and Materials International (ASTM International) (полупроводники, энергетика), Electric Power Research Institute (EPRI) (энергетика), American Society of Mechanical Engineers (ASME) (энергетика) и International Association for the Properties of Water and Steam (IAPWS) (энергетика). Фармацевтические заводы следуют стандартам качества воды, разработанным фармакопеями , из которых три примера — Фармакопея США , Европейская фармакопея и Японская фармакопея .
Наиболее широко используемые требования к качеству сверхчистой воды изложены в ASTM D5127 «Стандартное руководство по сверхчистой воде, используемой в электронной и полупроводниковой промышленности» [1] и SEMI F63 «Руководство по сверхчистой воде, используемой в обработке полупроводников» [2] .
Бактерии , частицы, органические и неорганические источники загрязнения различаются в зависимости от ряда факторов, включая исходную воду для производства UPW, а также выбор материалов трубопровода, используемых для ее транспортировки. Бактерии обычно указываются в колониеобразующих единицах ( КОЕ ) на объем UPW. Частицы используют число на объем UPW. Общий органический углерод (TOC), металлические загрязнители и анионные загрязнители измеряются в безразмерных единицах частей на нотацию , таких как ppm, ppb, ppt и ppq. [ необходима цитата ]
Бактерии были названы одними из самых трудноуправляемых в этом списке. [3] Методы, которые помогают минимизировать рост бактериальных колоний в потоках UPW, включают периодическую химическую или паровую дезинфекцию (что распространено в фармацевтической промышленности), ультрафильтрацию (встречается в некоторых фармацевтических, но в основном в полупроводниковой промышленности), озонирование и оптимизацию конструкций трубопроводных систем, которые способствуют использованию критериев числа Рейнольдса для минимального потока, [4] наряду с минимизацией тупиков. В современных и передовых системах UPW положительные (выше нуля) количества бактерий обычно наблюдаются на недавно построенных объектах. Эта проблема эффективно решается путем дезинфекции с использованием озона или перекиси водорода . При правильном проектировании системы полировки и распределения положительные количества бактерий обычно не обнаруживаются на протяжении всего жизненного цикла системы UPW.
Частицы в UPW являются бичом полупроводниковой промышленности, вызывая дефекты в чувствительных фотолитографических процессах, которые определяют нанометровые характеристики. В других отраслях промышленности их воздействие может варьироваться от неприятности до опасных для жизни дефектов. Частицы можно контролировать с помощью фильтрации и ультрафильтрации. Источниками могут быть бактериальные фрагменты, шелушение стенок компонентов в смоченном потоке трубопровода и чистота процессов соединения, используемых для создания системы трубопроводов.
Общий органический углерод в сверхчистой воде может способствовать размножению бактерий, предоставляя питательные вещества, может заменять в качестве карбида другие химические виды в чувствительном термическом процессе, реагировать нежелательным образом с биохимическими реакциями в биообработке и, в тяжелых случаях, оставлять нежелательные остатки на производственных деталях. TOC может поступать из питательной воды, используемой для производства UPW, из компонентов, используемых для транспортировки UPW (добавки в производственные трубопроводные изделия или вспомогательные средства для экструзии и смазки для форм), из последующих операций по производству и очистке трубопроводных систем или из грязных труб, фитингов и клапанов.
Металлические и анионные загрязнения в системах UPW могут остановить ферментативные процессы в биообработке , вызвать коррозию оборудования в электроэнергетической промышленности и привести к краткосрочному или долгосрочному отказу электронных компонентов в полупроводниковых чипах и фотоэлектрических элементах. Его источники аналогичны источникам TOC. В зависимости от необходимого уровня чистоты обнаружение этих загрязняющих веществ может варьироваться от простых показаний проводимости (электролитических) до сложных приборов, таких как ионная хроматография (IC), атомно-абсорбционная спектроскопия (AA) и масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS).
Сверхчистая вода проходит многоступенчатую обработку, чтобы соответствовать стандартам качества для различных потребителей.
Основными отраслями промышленности, использующими UPW, являются:
Термин «ультрачистая вода» стал популярным в конце 1970-х и начале 1980-х годов для описания особого качества воды, используемой в этих отраслях.
Хотя каждая отрасль использует то, что она называет «ультрачистой водой», стандарты качества различаются, что означает, что UPW, используемая фармацевтическим заводом, отличается от той, которая используется на фабрике полупроводников или электростанции. Стандарты основаны на применении. Например, заводы по производству полупроводников используют UPW в качестве чистящего средства, поэтому важно, чтобы вода не содержала растворенных загрязняющих веществ, которые могут выпадать в осадок, или частиц, которые могут осаждаться на схемах и вызывать сбои в работе микрочипов. Энергетическая промышленность использует UPW для производства пара для привода паровых турбин; фармацевтические предприятия используют UPW в качестве чистящего средства, а также в качестве ингредиента в продуктах, поэтому они ищут воду, свободную от эндотоксинов, микробов и вирусов.
Сегодня ионный обмен (IX) и электродеионизация (EDI) являются основными технологиями деионизации, связанными с производством UPW, в большинстве случаев следующими за обратным осмосом (RO). В зависимости от требуемого качества воды, очистные сооружения UPW часто также включают дегазацию , микрофильтрацию , ультрафильтрацию , ультрафиолетовое облучение и измерительные приборы (например, общий органический углерод [TOC], удельное сопротивление/проводимость , частицы, pH и специальные измерения для определенных ионов).
На раннем этапе умягченная вода, полученная с помощью таких технологий, как умягчение цеолитом или умягчение холодной известью, была предшественником современной обработки UPW. С этого момента термин «деионизированная» вода стал следующим шагом вперед, поскольку синтетические смолы IX были изобретены в 1935 году и затем стали коммерческими в 1940-х годах. Самые ранние системы «деионизированной» воды полагались на обработку IX для получения «высокой чистоты», определяемой измерениями сопротивления или проводимости. После появления коммерческих мембран RO в 1960-х годах использование RO с обработкой IX в конечном итоге стало обычным. EDI была коммерциализирована в 1980-х годах, и эта технология теперь стала обычно ассоциироваться с обработкой UPW.
UPW широко используется в полупроводниковой промышленности, где требуется наивысшая степень чистоты. Количество воды электронного или молекулярного качества, используемой полупроводниковой промышленностью, сопоставимо с потреблением воды небольшим городом; один завод может использовать сверхчистую воду (UPW) [5] со скоростью 2 MGD, или ~5500 м 3 /день. UPW обычно производится на месте.
Использование UPW варьируется; его можно использовать для промывки пластины после нанесения химикатов, для разбавления самих химикатов, в оптических системах для иммерсионной фотолитографии или в качестве добавки к охлаждающей жидкости в некоторых критических приложениях. UPW иногда даже используется в качестве источника увлажнения для среды чистого помещения . [6]
Основное и наиболее важное применение UPW — очистка пластин на этапе влажного травления и после него на этапе FEOL . [7] : 118 Примеси, которые могут вызвать загрязнение продукта или повлиять на эффективность процесса (например, скорость травления), должны быть удалены из воды на этапе очистки и травления. В процессах химико-механической полировки вода используется в дополнение к реагентам и абразивным частицам. По состоянию на 2002 год 1-2 части загрязняющих молекул на миллион молекул воды считались «сверхчистой водой» (например, полупроводниковой чистоты). [7] : 118
Стандарты качества воды для использования в полупроводниковой промышленности
Аналогичным образом он используется в других типах производства электроники, таких как плоские дисплеи , дискретные компоненты (например, светодиоды ), пластины жестких дисков (HDD) и твердотельные накопители NAND flash (SSD), датчики изображений и процессоры изображений/оптика на уровне пластин (WLO) и кристаллические кремниевые фотоэлектрические элементы ; однако требования к чистоте в полупроводниковой промышленности в настоящее время являются самыми строгими. [5]
Типичное использование сверхчистой воды в фармацевтической и биотехнологической промышленности представлено в таблице ниже: [8]
Использование сверхчистой воды в фармацевтической и биотехнологической промышленности
Для использования в фармацевтических и биотехнологических целях для производства лицензированных медицинских и ветеринарных препаратов он должен соответствовать спецификациям следующих фармакопейных монографий:
Примечание: «Очищенная вода» — это, как правило, основная монография, в которой упоминаются другие области применения, в которых используется сверхчистая вода.
Сверхчистая вода часто используется в качестве критической утилиты для очистки (по мере необходимости). Она также используется для получения чистого пара для стерилизации.
В следующей таблице обобщены спецификации двух основных фармакопей для «воды для инъекций»:
Фармакопейные характеристики воды для инъекций
Проверка сверхчистой и деионизированной воды
Валидация сверхчистой воды должна использовать подход жизненного цикла, основанный на оценке риска. [15] [16] [17] [18] Этот подход состоит из трех этапов — проектирование и разработка, квалификация и постоянная проверка. Следует использовать текущие нормативные рекомендации для соответствия нормативным ожиданиям. Типичные руководящие документы, с которыми следует ознакомиться на момент написания статьи: Руководство FDA по инспекциям систем высокочистой воды, Системы высокочистой воды (7/93), [19] Примечание EMEA CPMP/CVMP к руководству по качеству воды для фармацевтического использования (Лондон, 2002), [20] и Монография Фармакопеи США <1231> Вода для фармацевтических целей. [21] Однако могут существовать документы других юрисдикций, и практикам, проверяющим системы водоснабжения, следует ознакомиться с ними. В настоящее время Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) [22], а также Схема сотрудничества фармацевтических инспекций (PIC/S) [23] разработали технические документы, в которых изложены требования и стратегии валидации для систем водоснабжения.
В системах чистой воды измерение электролитической проводимости или сопротивления является наиболее распространенным индикатором ионного загрязнения. Одно и то же базовое измерение считывается либо в единицах проводимости микросименс на сантиметр (мкСм/см), типичных для фармацевтической и энергетической промышленности, либо в единицах удельного сопротивления мегаом-сантиметр (МОм⋅см), используемых в микроэлектронной промышленности. Эти единицы являются обратными друг другу. Абсолютно чистая вода имеет проводимость 0,05501 мкСм/см и удельное сопротивление 18,18 МОм⋅см при 25 °C, наиболее распространенной опорной температуре, к которой компенсируются эти измерения. Примером чувствительности к загрязнению этих измерений является то, что 0,1 ppb хлорида натрия повышает проводимость чистой воды до 0,05523 мкСм/см и снижает удельное сопротивление до 18,11 МОм⋅см. [24] [25]
Сверхчистая вода легко загрязняется следами углекислого газа из атмосферы, проходящего через крошечные утечки или диффундирующего через тонкостенные полимерные трубки, когда линии отбора проб используются для измерения. Углекислый газ образует в воде проводящую угольную кислоту. По этой причине зонды проводимости чаще всего постоянно вставляются непосредственно в основной трубопровод системы сверхчистой воды для обеспечения непрерывного мониторинга загрязнения в режиме реального времени. Эти зонды содержат как датчики проводимости, так и датчики температуры, чтобы обеспечить точную компенсацию очень большого влияния температуры на проводимость чистой воды. Зонды проводимости имеют многолетний срок службы в системах чистой воды. Они не требуют никакого обслуживания, за исключением периодической проверки точности измерений, как правило, ежегодно.
Натрий обычно является первым ионом, проходящим через истощенный катионообменник. Измерение натрия позволяет быстро обнаружить это состояние и широко используется в качестве индикатора для регенерации катионообменника. Проводимость сточных вод катионообменника всегда довольно высока из-за присутствия анионов и ионов водорода, и поэтому измерение проводимости бесполезно для этой цели. Натрий также измеряется в пробах воды и пара электростанций, поскольку он является распространенным коррозионным загрязнителем и может быть обнаружен при очень низких концентрациях в присутствии больших количеств аммиака и/или аминовой обработки, которые имеют относительно высокую фоновую проводимость.
Для измерения натрия в сверхчистой воде в режиме реального времени чаще всего используется стеклянный мембранный натриевый ион-селективный электрод и эталонный электрод в анализаторе, измеряющем небольшой непрерывно текущий образец бокового потока. Напряжение, измеренное между электродами, пропорционально логарифму активности или концентрации ионов натрия, согласно уравнению Нернста . Из-за логарифмического отклика низкие концентрации в диапазонах частей на миллиард можно измерять в обычном режиме. Чтобы предотвратить помехи от ионов водорода, pH образца повышают путем непрерывного добавления чистого амина перед измерением. Калибровка при низких концентрациях часто выполняется с помощью автоматизированных анализаторов, чтобы сэкономить время и исключить переменные ручной калибровки. [26]
Для современных процессов производства микроэлектроники требуются низкие концентрации растворенного кислорода (РК) в сверхчистой промывочной воде от единиц до 10 ppb для предотвращения окисления пленок и слоев пластин. РК в воде и паре электростанции должен контролироваться до уровней ppb для минимизации коррозии. Компоненты из медных сплавов на электростанциях требуют концентрации РК в единицах ppb, тогда как железные сплавы могут выиграть от пассивирующего эффекта более высоких концентраций в диапазоне от 30 до 150 ppb.
Растворенный кислород измеряется двумя основными технологиями: электрохимической ячейкой или оптической флуоресценцией. Традиционное электрохимическое измерение использует датчик с газопроницаемой мембраной. За мембраной электроды, погруженные в электролит, вырабатывают электрический ток, прямо пропорциональный парциальному давлению кислорода в образце. Сигнал температурно компенсируется для растворимости кислорода в воде, выходной мощности электрохимической ячейки и скорости диффузии кислорода через мембрану.
Оптические флуоресцентные датчики DO используют источник света, флуорофор и оптический детектор. Флуорофор погружается в образец. Свет направляется на флуорофор, который поглощает энергию, а затем повторно излучает свет на более длинной волне . Длительность и интенсивность повторно излучаемого света связаны с парциальным давлением растворенного кислорода соотношением Штерна-Фольмера . Сигнал температурно компенсируется для растворимости кислорода в воде и характеристик флуорофора, чтобы получить значение концентрации DO. [27]
Кремний является загрязняющим веществом, которое вредно для обработки микроэлектроники и должно поддерживаться на уровне ниже ppb. В паровой энергетике кремний может образовывать отложения на поверхностях теплообмена, где он снижает тепловую эффективность . В высокотемпературных котлах кремний будет испаряться и переноситься с паром, где он может образовывать отложения на лопатках турбины, что снижает аэродинамическую эффективность. Отложения кремния очень трудно удалить. Кремний является первым легко измеряемым видом, который выделяется отработанной анионообменной смолой , и поэтому используется в качестве триггера для регенерации анионной смолы. Кремний не проводит электропроводность и, следовательно, не обнаруживается по проводимости.
Кремний измеряется в образцах бокового потока с помощью колориметрических анализаторов. Измерение добавляет реагенты, включая соединение молибдата и восстановитель, чтобы получить синий цвет кремний-молибдатного комплекса, который обнаруживается оптически и связан с концентрацией в соответствии с законом Бера-Ламберта . Большинство анализаторов кремния работают на автоматизированной полунепрерывной основе, изолируя небольшой объем образца, последовательно добавляя реагенты и давая достаточно времени для протекания реакций, при этом минимизируя потребление реагентов. Дисплей и выходные сигналы обновляются с каждым результатом измерения партии, как правило, с интервалом от 10 до 20 минут. [28]
Частицы в UPW всегда представляли собой серьезную проблему для производства полупроводников, поскольку любая частица, попавшая на кремниевую пластину, может перекрыть зазор между электрическими путями в полупроводниковой схеме. Когда путь закорочен, полупроводниковое устройство не будет работать должным образом; такой сбой называется потерей выхода, одним из наиболее тщательно отслеживаемых параметров в полупроводниковой промышленности. Методом выбора для обнаружения этих отдельных частиц было просвечивание светового луча (лазера) через небольшой объем UPW и обнаружение света, рассеянного любыми частицами (приборы, основанные на этой технике, называются лазерными счетчиками частиц или LPC). Поскольку производители полупроводников упаковывают все больше и больше транзисторов в одно и то же физическое пространство, ширина линии схемы становилась все уже и уже. В результате производителям LPC пришлось использовать все более мощные лазеры и очень сложные детекторы рассеянного света, чтобы не отставать. По мере приближения ширины линии к 10 нм (человеческий волос имеет диаметр около 100 000 нм) технология LPC становится ограниченной вторичными оптическими эффектами, и потребуются новые методы измерения частиц. Недавно один из таких новых методов анализа под названием NDLS был успешно внедрен в эксплуатацию в лаборатории Electrum (Королевский технологический институт) в Стокгольме, Швеция. NDLS основан на инструментах динамического рассеяния света (DLS).
Другим типом загрязнения в UPW является растворенный неорганический материал, в первую очередь кремний. Кремний является одним из самых распространенных минералов на планете и содержится во всех источниках воды. Любой растворенный неорганический материал может оставаться на пластине по мере высыхания UPW. Опять же, это может привести к значительной потере выхода. Для обнаружения следовых количеств растворенного неорганического материала обычно используется измерение нелетучего остатка. Этот метод включает использование распылителя для создания капель UPW, взвешенных в потоке воздуха. Эти капли высушиваются при высокой температуре для получения аэрозоля нелетучих частиц остатка. Измерительное устройство, называемое счетчиком конденсационных частиц, затем подсчитывает частицы остатка, чтобы дать показания в частях на триллион (ppt) по весу. [29]
Общий органический углерод чаще всего измеряется путем окисления органики в воде до CO 2 , измерения увеличения концентрации CO 2 после окисления или дельта CO 2 , и преобразования измеренного количества дельта CO 2 в «массу углерода» на единицу объемной концентрации. Исходный CO 2 в образце воды определяется как неорганический углерод или IC. CO 2 , полученный из окисленной органики, и любой исходный CO 2 (IC) вместе определяются как общий углерод или TC. Значение TOC тогда равно разнице между TC и IC. [30]
Окисление органических веществ до CO 2 чаще всего достигается в жидких растворах путем создания высокоокислительных химических видов, гидроксильных радикалов (OH•). Органическое окисление в среде горения включает создание других заряженных молекулярных видов кислорода. Для типичных уровней TOC в системах UPW большинство методов используют гидроксильные радикалы в жидкой фазе.
Существует несколько методов создания достаточных концентраций гидроксильных радикалов, необходимых для полного окисления органических веществ в воде до CO 2 , каждый из которых подходит для разных уровней чистоты воды. Для типичной сырой воды, подаваемой на вход системы очистки UPW, сырая вода может содержать уровни TOC от 0,7 мг/л до 15 мг/л и требует надежного метода окисления, который может гарантировать наличие достаточного количества кислорода для полного преобразования всех атомов углерода в органических молекулах в CO 2 . Надежные методы окисления, которые обеспечивают достаточное количество кислорода, включают следующие методы: ультрафиолетовый свет (УФ) и персульфат, нагретый персульфат, сжигание и сверхкритическое окисление. Ниже приведены типичные уравнения, показывающие образование персульфатом гидроксильных радикалов.
С
2О2−
8+ hν (254 нм) → 2 SO−
4• и так−
4• + Н
2О → HSO−
4+ ОН •
Когда концентрация органических веществ составляет менее 1 мг/л в виде ООУ и вода насыщена кислородом, УФ-излучения достаточно для окисления органических веществ до CO2 , это более простой метод окисления. Длина волны УФ-излучения для вод с более низким содержанием ООУ должна быть менее 200 нм и обычно составляет 184 нм, генерируемых ртутной лампой низкого давления. УФ-излучение длиной 184 нм достаточно энергично, чтобы разбить молекулу воды на радикалы OH и H. Радикалы водорода быстро реагируют, создавая H2 . Уравнения следующие:
H 2 O + hν (185 нм) → OH• + H • и H • + H • → H 2
Различные типы анализаторов UPW TOC
IC (неорганический углерод) = CO
2+ ХСО−
3+ СО2−
3
TC (общий углерод) = органический углерод + IC
TOC (общий органический углерод) = TC – IC
H 2 O + hν (185 нм) → OH• + H •
С
2О2−
8+ hν (254 нм) → 2 SO−
4•
ТАК−
4• + Н
2О → HSO−
4+ ОН •
При проверке качества UPW учитывается, где требуется это качество и где его следует измерять. Точка распределения или доставки (POD) — это точка в системе сразу после последнего этапа обработки и перед распределительным контуром. Это стандартное место для большинства аналитических тестов. Точка соединения (POC) — это еще одна часто используемая точка для измерения качества UPW. Она расположена на выходе из вспомогательного или бокового отборного клапана, используемого для подачи UPW в инструмент.
Анализы выборочных проб UPW являются либо дополнительными к онлайн-тестированию, либо альтернативными, в зависимости от доступности инструментов и уровня спецификаций качества UPW. Анализ выборочных проб обычно выполняется по следующим параметрам: металлы, анионы, аммоний, кремний (как растворенный, так и общий), частицы с помощью SEM (сканирующий электронный микроскоп), TOC (общие органические соединения) и конкретные органические соединения. [1] [2]
Анализы металлов обычно выполняются методом ICP-MS ( масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой ). Уровень обнаружения зависит от конкретного типа используемого прибора и метода подготовки и обработки образца. Современные методы позволяют достигать уровня суб-ppt (частей на триллион) (< 1 ppt), обычно тестируемого методом ICPMS. [31]
Анализ анионов для семи наиболее распространенных неорганических анионов (сульфат, хлорид, фторид, фосфат, нитрит, нитрат и бромид) выполняется с помощью ионной хроматографии (ИХ), достигая пределов обнаружения в пределах единиц ppt. ИХ также используется для анализа аммиака и других катионов металлов. Однако ИСП-МС является предпочтительным методом для металлов из-за более низких пределов обнаружения и его способности обнаруживать как растворенные, так и нерастворенные металлы в UPW. ИХ также используется для обнаружения мочевины в UPW вплоть до уровня 0,5 ppb. Мочевина является одним из наиболее распространенных загрязнителей в UPW и, вероятно, наиболее сложным для обработки.
Анализ кремнезема в UPW обычно включает определение реактивного и общего кремнезема. [32] Из-за сложности химии кремнезема форма измеряемого кремнезема определяется фотометрическим (колориметрическим) методом как молибдат-реактивный кремнезем. Те формы кремнезема, которые являются молибдат-реактивными, включают растворенные простые силикаты, мономерный кремнезем и кремниевую кислоту, а также неопределенную фракцию полимерного кремнезема. Определение общего кремнезема в воде использует высокое разрешение ICPMS, GFAA (атомная абсорбция в графитовой печи) [33] и фотометрический метод в сочетании с разложением кремнезема. Для многих природных вод измерение молибдат-реактивного кремнезема этим методом испытаний обеспечивает близкое приближение к общему кремнезему, и на практике колориметрический метод часто заменяет другие более трудоемкие методы. Однако общий анализ кремнезема становится более важным в UPW, где ожидается присутствие коллоидного кремнезема из-за полимеризации кремнезема в ионообменных колонках. Коллоидный кремний считается более важным, чем растворенный, в электронной промышленности из-за большего влияния наночастиц в воде на процесс производства полупроводников. Уровни кремния в пределах ppb (частей на миллиард) делают его одинаково сложным как для реактивного, так и для общего анализа кремния, что делает выбор общего анализа кремния часто предпочтительным.
Хотя частицы и TOC обычно измеряются с помощью онлайн-методов, существует значительная ценность в дополнительном или альтернативном офлайн-лабораторном анализе. Ценность лабораторного анализа имеет два аспекта: стоимость и видообразование. Небольшие объекты UPW, которые не могут позволить себе покупку онлайн-инструментов, часто выбирают офлайн-тестирование. TOC можно измерить в выборочной пробе при концентрации всего 5 ppb, используя ту же методику, которая применяется для онлайн-анализа (см. описание онлайн-метода). Этот уровень обнаружения покрывает большинство потребностей менее критических электронных и всех фармацевтических приложений. Когда видообразование органических веществ требуется для устранения неполадок или целей проектирования, жидкостная хроматография с обнаружением органического углерода (LC-OCD) обеспечивает эффективный анализ. Этот метод позволяет идентифицировать биополимеры, гуминовые кислоты, низкомолекулярные кислоты и нейтральные вещества и многое другое, при этом характеризуя почти 100% органического состава в UPW с уровнем TOC ниже ppb. [34] [35]
Подобно TOC, анализ частиц SEM представляет собой более дешевую альтернативу дорогостоящим онлайн-измерениям и поэтому обычно является методом выбора в менее критических приложениях. Анализ SEM может обеспечить подсчет частиц размером до 50 нм, что обычно соответствует возможностям онлайн-инструментов. Тест включает установку картриджа фильтра захвата SEM на порт отбора проб UPW для отбора проб на мембранном диске с размером пор, равным или меньшим целевого размера частиц UPW. Затем фильтр переносится в микроскоп SEM, где его поверхность сканируется для обнаружения и идентификации частиц. Основным недостатком анализа SEM является длительное время отбора проб. В зависимости от размера пор и давления в системе UPW время отбора проб может составлять от одной недели до одного месяца. Однако типичная надежность и стабильность систем фильтрации частиц позволяют успешно применять метод SEM. Применение энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (SEM-EDS) обеспечивает композиционный анализ частиц, что делает SEM также полезным для систем с онлайн-счетчиками частиц.
Анализ бактерий обычно проводится в соответствии с методом ASTM F1094. [36] Метод испытаний охватывает отбор проб и анализ воды высокой чистоты из систем очистки воды и систем передачи воды путем прямого отбора проб и фильтрации образца, собранного в мешок. Эти методы испытаний охватывают как отбор проб из водопроводов, так и последующий микробиологический анализ образца методом культивирования. Микроорганизмы, извлеченные из образцов воды и подсчитанные на фильтрах, включают как аэробы, так и факультативные анаэробы. Температура инкубации контролируется на уровне 28 ± 2 °C, а период инкубации составляет 48 часов или 72 часа, если позволяет время. Более длительное время инкубации обычно рекомендуется для большинства критических применений. Однако 48 часов обычно достаточно для обнаружения нарушений качества воды.
Обычно городская водопроводная вода (содержащая все нежелательные загрязнители, упомянутые ранее) проходит ряд этапов очистки, которые, в зависимости от желаемого качества UPW, включают грубую фильтрацию для крупных частиц, угольную фильтрацию, умягчение воды, обратный осмос, воздействие ультрафиолетового (УФ) света для контроля общего органического углерода и/или бактериального статического заряда, очистку ионообменными смолами или электродеионизацию (EDI) и, наконец, фильтрацию или ультрафильтрацию .
Некоторые системы используют прямой возврат, обратный возврат или змеевидные петли, которые возвращают воду в зону хранения, обеспечивая непрерывную рециркуляцию, в то время как другие являются одноразовыми системами, которые работают от точки производства UPW до точки использования. Постоянное действие рециркуляции в первых непрерывно полирует воду при каждом проходе. Последние могут быть склонны к накоплению загрязнений, если они остаются застоявшимися без использования.
Для современных систем UPW важно учитывать особые требования к площадке и процессу, такие как экологические ограничения (например, лимиты сброса сточных вод) и возможности рекультивации (например, есть ли обязательный минимальный объем рекультивации). Системы UPW состоят из трех подсистем: предварительная очистка, первичная очистка и доочистка. Большинство систем схожи по конструкции, но могут различаться в секции предварительной очистки в зависимости от характера исходной воды.
Предварительная обработка: Предварительная обработка производит очищенную воду . Типичные используемые предварительные обработки - это двухпроходный обратный осмос , деминерализация плюс обратный осмос или HERO (высокоэффективный обратный осмос). [37] [38] Кроме того, степень фильтрации выше по течению этих процессов будет диктоваться уровнем взвешенных твердых частиц, мутности и органических веществ, присутствующих в исходной воде. Обычными типами фильтрации являются мультимедиа, автоматические фильтры с обратной промывкой и ультрафильтрация для удаления взвешенных твердых частиц и снижения мутности, а также активированный уголь для снижения содержания органических веществ. Активированный уголь также может использоваться для удаления хлора выше по течению обратного осмоса на этапах деминерализации. Если активированный уголь не используется, то для дехлорирования исходной воды используется бисульфит натрия.
Первичная: Первичная обработка состоит из ультрафиолетового света (УФ) для органического восстановления, EDI и/или смешанного ионного обмена для деминерализации. Смешанные слои могут быть нерегенерируемыми (после EDI), регенерируемыми на месте или снаружи. Последним шагом в этом разделе может быть удаление растворенного кислорода с использованием процесса мембранной дегазации или вакуумной дегазации.
Полировка: Полировка состоит из УФ, теплообмена для контроля постоянной температуры в подаче UPW, нерегенерируемого ионного обмена, мембранной дегазации (для полировки до конечных требований UPW) и ультрафильтрации для достижения требуемого уровня частиц. Некоторым полупроводниковым фабрикам требуется горячая UPW для некоторых из их процессов. В этом случае отполированная UPW нагревается в диапазоне от 70 до 80 °C перед доставкой на производство. Большинство этих систем включают рекуперацию тепла, когда избыток горячей UPW, возвращаемой с производства, поступает в блок рекуперации тепла перед возвратом в питающий резервуар UPW для экономии на использовании нагревательной воды или необходимости охлаждения обратного потока горячей UPW. [39]
Удаляйте загрязняющие вещества настолько далеко в системе, насколько это практически осуществимо и экономически эффективно.
Стабильный поток в подпиточной и первичной секциях для избежания пиков TOC и проводимости (БЕЗ операции запуска/остановки). Рециркуляция избыточного потока вверх по течению.
Минимизируйте использование химикатов после установок обратного осмоса.
Рассмотрите возможность использования EDI и нерегенерируемых первичных смешанных слоев вместо первичных слоев, регенерируемых на месте или извне, чтобы обеспечить оптимальное качество приготовления сверхчистой воды и свести к минимуму вероятность сбоев.
Выбирайте материалы, которые не будут вносить ООУ и частицы в систему, особенно в первичных и полировальных секциях. Минимизируйте количество нержавеющей стали в полировальном контуре, и, если используется, рекомендуется электрополировка.
Минимизируйте количество тупиковых участков в трубопроводе, чтобы исключить возможность распространения бактерий.
Поддерживайте минимальные скорости промывки в трубопроводах и распределительной сети для обеспечения турбулентного потока. Рекомендуемый минимум основан на числе Рейнольдса 3000 Re или выше. Это может варьироваться до 10 000 Re в зависимости от уровня комфорта проектировщика.
Используйте только чистую смолу в полировальных смешанных слоях. Заменяйте каждые один-два года.
Подавайте сверхчистую воду на производство с постоянным расходом и постоянным давлением, чтобы избежать сбоев в работе системы, таких как выбросы частиц.
Используйте конструкцию обратного возвратного распределительного контура для гидравлического баланса и предотвращения обратного потока (возврата к подаче).
Мощность играет важную роль в инженерных решениях о конфигурации и размерах системы UPW. Например, системы полировки старых и меньших электронных систем были спроектированы для минимальных критериев скорости потока до 60 см (2 фута) в секунду на конце трубы, чтобы избежать бактериального загрязнения. Более крупные фабрики требовали более крупных систем UPW. На рисунке ниже показано увеличение потребления, вызванное большим размером пластин, производимых на более новых фабриках. Однако для более крупных труб (обусловленных более высоким потреблением) критерии 60 см (2& фута) в секунду означали чрезвычайно высокое потребление и слишком большую систему полировки. Промышленность отреагировала на эту проблему и посредством обширных исследований, выбора материалов более высокой чистоты и оптимизированной конструкции распределения смогла снизить критерии проектирования для минимального потока, используя критерии числа Рейнольдса.
Рисунок справа иллюстрирует интересное совпадение, что наибольший диаметр основной линии подачи UPW равен размеру пластины в производстве (это соотношение известно как закон Клайбера). Растущий размер трубопровода, а также системы в целом требует новых подходов к управлению пространством и оптимизации процесса. В результате новые системы UPW выглядят довольно одинаково, что контрастирует с меньшими системами UPW, которые могли бы иметь менее оптимизированную конструкцию из-за меньшего влияния неэффективности на стоимость и управление пространством.
Другое соображение по емкости связано с работоспособностью системы. Небольшие лабораторные системы (производительность дюжина литров в минуту/несколько галлонов в минуту) обычно не требуют операторов, в то время как крупномасштабные системы обычно работают круглосуточно и без выходных с хорошо обученными операторами. В результате меньшие системы проектируются без использования химикатов и имеют более низкую эффективность использования воды и энергии, чем более крупные системы.
Частицы в UPW являются критическими загрязнителями, которые приводят к многочисленным формам дефектов на поверхности пластин. При большом объеме UPW, который контактирует с каждой пластиной, легко происходит осаждение частиц на пластине. После осаждения частицы нелегко удалить с поверхности пластин. С увеличением использования разбавленных химикатов частицы в UPW становятся проблемой не только при промывке пластин UPW, но и из-за попадания частиц во время разбавленных влажных очисток и травления, где UPW является основным компонентом используемой химии.
Уровень частиц должен контролироваться до размеров нм, и текущие тенденции [ по состоянию на? ] приближаются к 10 нм и меньше для контроля частиц в UPW. Хотя фильтры используются для основного контура, компоненты системы UPW могут вносить дополнительное загрязнение частицами в воду, и в точке использования рекомендуется дополнительная фильтрация.
Фильтры сами по себе должны быть изготовлены из сверхчистых и прочных материалов, которые не вносят органику или катионы/анионы в UPW, и должны быть проверены на целостность на заводе, чтобы гарантировать надежность и производительность. Обычные материалы включают нейлон , полиэтилен , полисульфон и фторполимеры . Фильтры обычно изготавливаются из комбинации полимеров, а для использования в UPW они термически свариваются без использования клея или других загрязняющих добавок.
Микропористая структура фильтра имеет решающее значение для обеспечения контроля частиц, и эта структура может быть изотропной или асимметричной . В первом случае распределение пор равномерно по всему фильтру, тогда как во втором случае более тонкая поверхность обеспечивает удаление частиц, а более грубая структура обеспечивает физическую поддержку, а также снижает общий перепад давления.
Фильтры могут быть картриджными форматами, где UPW протекает через гофрированную структуру с загрязняющими веществами, собираемыми непосредственно на поверхности фильтра. Обычными в системах UPW являются ультрафильтры (UF), состоящие из мембран из полых волокон. В этой конфигурации UPW протекает через полые волокна, выметая загрязняющие вещества в поток отходов, известный как поток ретентата. Поток ретентата составляет лишь небольшой процент от общего потока и отправляется в отходы. Продуктовая вода, или поток пермеата, представляет собой UPW, проходящий через оболочку полого волокна и выходящий через центр полого волокна. UF является высокоэффективным продуктом фильтрации для UPW, а выметание частиц в поток ретентата обеспечивает чрезвычайно долгий срок службы с необходимостью лишь периодической очистки. Использование UF в системах UPW обеспечивает превосходный контроль частиц до размеров частиц в одну цифру нанометра. [39]
Приложения в точке использования (POU) для фильтрации UPW включают влажное травление и очистку, промывку перед паром IPA или жидкой сушкой, а также литографическое дозирование промывки UPW после проявления. Эти приложения создают особые проблемы для фильтрации POU UPW.
Для влажного травления и очистки большинство инструментов представляют собой однопластинчатые процессы, которые требуют потока через фильтр по требованию инструмента. Результирующий прерывистый поток, который будет варьироваться от полного потока через фильтр при инициировании потока UPW через распылительное сопло, а затем обратно до струйного потока. Струйный поток обычно поддерживается для предотвращения тупика в инструменте. Фильтр должен быть прочным, чтобы выдерживать давление и низкую цикличность, и должен продолжать удерживать захваченные частицы в течение всего срока службы фильтра. Для этого требуется правильная конструкция и геометрия складок, а также среда, разработанная для оптимизированного захвата и удержания частиц. Некоторые инструменты могут использовать фиксированный корпус фильтра со сменными фильтрами, тогда как другие инструменты могут использовать одноразовые фильтрующие капсулы для POU UPW.
Для литографических приложений используются небольшие фильтрующие капсулы. Подобно проблемам для влажного травления и чистых приложений POU UPW, для промывки литографической UPW поток через фильтр прерывистый, хотя и при низком потоке и давлении, поэтому физическая прочность не так критична. Другое применение POU UPW для литографии — это иммерсионная вода, используемая на интерфейсе линза/пластина для иммерсионной литографии 193 нм. UPW образует лужу между линзой и пластиной, улучшая NA, и UPW должна быть чрезвычайно чистой. Фильтрация POU используется на UPW непосредственно перед шаговым сканером.
Для приложений POU UPW в настоящее время используются фильтры с размером частиц до 15 нм для усовершенствованных узлов 2x и 1x. Фильтры обычно изготавливаются из нейлона, полиэтилена высокой плотности (HDPE), полиарилсульфона (или полисульфона) или мембран из политетрафторэтилена (PTFE), а оборудование обычно состоит из HDPE или PFA.
Обработка в месте использования часто применяется в критических инструментальных приложениях, таких как иммерсионная литография и подготовка масок, чтобы поддерживать постоянное качество сверхчистой воды. Системы UPW, расположенные в центральном здании коммунальных служб, обеспечивают Fab качественной водой, но могут не обеспечивать адекватную последовательность очистки воды для этих процессов.
В случае, когда могут присутствовать мочевина, ТГМ, изопропиловый спирт (ИПС) или другие трудноудаляемые (низкомолекулярные нейтральные соединения) виды ООУ, требуется дополнительная обработка с помощью усовершенствованного процесса окисления (АОП) с использованием систем. Это особенно важно, когда требуется достичь жесткой спецификации ООУ ниже 1 ppb. Было доказано, что эти трудно контролируемые органические вещества влияют на выход и производительность устройства, особенно на самых требовательных этапах процесса. Одним из успешных примеров контроля органических веществ POU до уровня ООУ 0,5 ppb является АОП, объединяющий персульфат аммония и УФ-окисление (см. химию персульфата+УФ-окисления в разделе измерения ООУ).
Доступные запатентованные передовые процессы окисления POU могут последовательно снижать TOC до 0,5 частей на миллиард (ppb) в дополнение к поддержанию постоянной температуры, кислорода и частиц, превышающих требования SEMI F063. [2] Это важно, поскольку малейшее изменение может напрямую повлиять на производственный процесс, существенно влияя на выход продукции. [39] [40]
Полупроводниковая промышленность использует большое количество сверхчистой воды для промывки загрязнений с поверхности кремниевых пластин , которые позже превращаются в компьютерные чипы. Сверхчистая вода по определению имеет чрезвычайно низкий уровень загрязнения, но как только она вступает в контакт с поверхностью пластины, она переносит остаточные химикаты или частицы с поверхности, которые затем попадают в систему обработки промышленных отходов производственного предприятия. Уровень загрязнения промывочной воды может сильно различаться в зависимости от конкретного этапа процесса, который промывается в данный момент. Этап «первого промывания» может нести большое количество остаточных загрязнений и частиц по сравнению с последним промыванием, которое может нести относительно небольшое количество загрязнений. Типичные заводы по производству полупроводников имеют только две системы слива для всех этих промывок, которые также сочетаются с кислотными отходами, и поэтому промывочная вода не используется повторно эффективно из-за риска загрязнения, вызывающего дефекты производственного процесса.
Как было отмечено выше, сверхчистая вода обычно не перерабатывается в полупроводниковых приложениях, а скорее восстанавливается в других процессах. В США есть одна компания, Exergy Systems, Inc. из Ирвайна, Калифорния, которая предлагает запатентованный процесс переработки деионизированной воды. Этот продукт был успешно испытан в ряде полупроводниковых процессов.
Определения:
В ITRS используются следующие определения: [6]
Регенерация и переработка воды:
Некоторые заводы по производству полупроводников используют регенерированную воду для непроизводственных целей, таких как химические аспираторы, где сбросная вода отправляется в промышленные отходы. Регенерация воды также является типичным применением, где отработанная промывочная вода с производственного предприятия может использоваться в системе подачи градирни, подачи выхлопного скруббера или в системах очистки точек использования. Переработка UPW не столь типична и включает сбор отработанной производственной промывочной воды, ее очистку и повторное использование в процессе промывки пластин. Для любого из этих случаев может потребоваться некоторая дополнительная очистка воды в зависимости от качества отработанной промывочной воды и применения регенерированной воды. Это довольно распространенная практика на многих предприятиях по производству полупроводников по всему миру, однако существует ограничение на то, сколько воды может быть регенерировано и переработано, если не рассматривать повторное использование в производственном процессе.
Переработка UPW:
Многие инженеры-технологи десятилетиями не одобряли переработку промывочной воды из процесса производства полупроводников из-за риска того, что загрязнение от остатков химикатов и частиц может вернуться в питательную воду UPW и привести к дефектам продукции. Современные системы сверхчистой воды очень эффективны для удаления ионных загрязнений вплоть до уровней частей на триллион (ppt), тогда как органическое загрязнение систем сверхчистой воды все еще находится на уровнях частей на миллиард (ppb). В любом случае переработка промывочной воды для подготовки UPW всегда была большой проблемой, и до недавнего времени это не было распространенной практикой. Рост расходов на воду и сточные воды в некоторых частях США и Азии подтолкнул некоторые компании по производству полупроводников к исследованию переработки промывочной воды производственного процесса в системе подготовки UPW. Некоторые компании внедрили подход, который использует сложную крупномасштабную очистку, разработанную для наихудших условий комбинированного сброса сточных вод. Совсем недавно были разработаны новые подходы для включения подробного плана управления водными ресурсами, чтобы попытаться минимизировать стоимость и сложность системы очистки.
План управления водными ресурсами:
Ключом к максимизации регенерации, переработки и повторного использования воды является наличие хорошо продуманного плана управления водными ресурсами . Успешный план управления водными ресурсами включает полное понимание того, как промывочные воды используются в производственном процессе, включая используемые химикаты и их побочные продукты. С разработкой этого критического компонента может быть спроектирована система сбора дренажа для отделения концентрированных химикатов от умеренно загрязненных промывочных вод и слабо загрязненных промывочных вод. После разделения в отдельных системах сбора потоки отходов, которые когда-то считались химическими процессами, могут быть повторно использованы или проданы как поток продукта, а промывочные воды могут быть повторно использованы.
План управления водными ресурсами также потребует значительного количества данных образцов и анализа для определения надлежащей сегрегации стоков, применения онлайн-аналитических измерений, контроля отводов и технологии окончательной очистки. Сбор этих образцов и проведение лабораторного анализа могут помочь охарактеризовать различные потоки отходов и определить потенциал их соответствующего повторного использования. В случае промывочной воды процесса UPW данные лабораторного анализа затем могут быть использованы для профилирования типичных и нетипичных уровней загрязнения, которые затем могут быть использованы для проектирования системы очистки промывочной воды. В целом наиболее экономически эффективно проектировать систему для обработки типичного уровня загрязнения, которое может происходить в 80-90% случаев, а затем включать онлайн-датчики и элементы управления для отвода промывочной воды в промышленные отходы или для некритического использования, например, в градирни, когда уровень загрязнения превышает возможности системы очистки. Включая все эти аспекты плана управления водными ресурсами на участке производства полупроводников, уровень использования воды может быть снижен на целых 90%.
Нержавеющая сталь остается предпочтительным материалом для труб в фармацевтической промышленности. Из-за своего металлического вклада большая часть стали была удалена из систем UPW микроэлектроники в 1980-х годах и заменена высокопроизводительными полимерами поливинилиденфторида ( PVDF), [1] перфторалкокси (PFA), этиленхлортрифторэтилена (ECTFE) и политетрафторэтилена (PTFE) в США и Европе. В Азии популярны поливинилхлорид (ПВХ), хлорированный поливинилхлорид (ХПВХ) и полипропилен (ПП), а также высокопроизводительные полимеры.
Термопласты можно соединять различными методами термосплавления.
{{cite web}}: Отсутствует или пусто |url=( помощь )