Vhodná kvalita vody pro čištění dílů

Dr. Steffen Orben - Výkonný společník

Ionexchangeranlage pro zásobování čisté vody ve výrobně na FH Kaiserslautern / Standort Zweibrücken (Foto: W. Pfeifer)

Ionexové pryskyřice (Foto: Orben)

Ionenaustauscherměchy (Foto: Orben)

Obnova lesa (Foto: Orben)

Příprava dílů pro následné kroky zpracování a čistota výrobků zajímá všechny výrobní závody. Důkladné čištění znamená pro jednoho výrobce produktů čistou, bezmastnou povrchovou úpravu. Jiný chce po čištění na dílu nezanechat žádné stopy po minerálech, protože i nejmenší usazeniny by mohly výrobky zneužitelnit. U všech aplikací platí: výsledek čištění může být pouze tak dobrý, jako poslední oplach.

Čistá voda není totéž co čistá voda

Voda z vodovodu často nestačí k čištění dílů. Místo toho je potřeba demineralizovaná voda. Lépe odstraňuje nečistoty než voda z vodovodu, ve které jsou rozpuštěny soli a jiné látky. Koncentraci solí určuje měření elektrické vodivosti vody. Udává se v mikro-Siemensech na centimetr [μS/cm]. Průměrná voda z vodovodu má přibližně 700 μS/cm. Systémy na úpravu vody mohou soli odstranit a snížit vodivost. Uživatel si může vybrat mezi různými metodami, které mu dodají různé kvality vody.

Různé způsoby k cíli

Reverzní osmóza odstraňuje soli z vody jemnou filtrací. Voda z vodovodu je pod tlakem vedena přes semipermeabilní membránu, která zadržuje soli. Čistá voda jimi protéká. Výsledkem je voda s přibližně 30 μS/cm, což je zlomek vodivosti výchozí vody, ale stále ještě nevyhovuje mnoha požadavkům na technickou čistotu. Proto je reverzní osmóza většinou předúpravou pro iontovou výměnu, pokud je potřeba velké množství úplně odsolené vody a je třeba prodloužit životnost iontově-výměnných patron.

Výměna iontů (deionizace) pomocí iontově-výměnných patron odstraní ionty rozpuštěných solí. Kationtové a aniontové pryskyřice jsou procházeny vodou a vážou rozpuštěné elektricky nabité složky vody. Výsledek je s přibližně 0,1 μS/cm ještě výrazně méně solný než při reverzní osmóze. 40litrová patrona obvykle vyrobí 5 000 litrů úplně odsolené vody z vodovodu. Pryskyřice lze opakovaně regenerovat. Investiční náklady a požadavky na manipulaci jsou relativně nízké. Podmínkou je servis od poskytovatele s místní obsluhou a spolehlivou dokumentací šarží. Provozní náklady jsou pouze za výměnu patron.

Čistota má svou cenu. To platí zejména pro pořizovací a provozní náklady čistících zařízení. Kdo ušetří na úplné odsolení, může později litovat ztráty kvality a vyšších nákladů na následné opravy.

Kdo potřebuje úplně odsolenou vodu?

Potřebná kvalita vody se liší podle požadavků různých výrobních firem. Také počet vyrobených kusů výrazně ovlivňuje denní potřebu procesní vody.

Ve sterilním prostoru vysoké školy se vyrábějí prototypy mikrosystémů. Zde vznikají jemné struktury a elektronické obvody v mikrometrovém měřítku. Požadavky na čistotu při výrobě a konečném čištění jsou vysoké. Pro mikro-mechanické nebo mikroelektronické díly, pro analýzy a pokusy je požadována úplně odsolená voda. I nejmenší minerální usazeniny mezi vodiči produktů by mohly způsobit poruchy nebo zničení dílů. Iontové výměnné patrony dodávají procesní vodu s vodivostí pod 0,1 μS/cm. Výkon odstraňování solí iontovými patronami se s časem snižuje. V sériové výrobě je však třeba reprodukovatelných výsledků. To je zajištěno použitím dvou identických patron, které zajišťují stálou kvalitu vody. Čím více iontů se váže na pryskyřice první patrony, tím více se její výkon snižuje. Pokud je překročen definovaný práh vodivosti, přepne se na druhou patronu. Použitá patrona může být včas vyměněna. Spotřeba vody v prototypové výrobě je poměrně nízká. Další úpravy vody by zde nebyly ekonomicky výhodné.

Pro laboratoře s vysokou spotřebou vody je vhodný kombinovaný systém úpravy vody. Reverzní osmóza nejprve výrazně zlepší vodivost vody z vodovodu. Následný iontový výměník pak vodu upraví na procesní kvalitu a má tak mnohem delší životnost.

V laboratořích s přísnými hygienickými požadavky je často ještě krok dezinfekce vody UV-C zářením. Patogeny jako bakterie, viry nebo řasy, které se přenášejí vodou, představují problém pro mnoho procesů. Technologie UV tyto kontaminace odstraní, aniž by bylo nutné přidávat chemikálie, a to i v čisté vodě.

Nejvyšší čistota, i ve sériové výrobě

V výrobě polovodičů je vyžadováno prostředí v čisté místnosti, aby byly chráněny složité součástky před znečištěním a zachována jejich funkčnost. Přesto stále existuje řada zdrojů znečištění. Hlavními příčinami jsou personál na výrobní lince, okolní vzduch a chemikálie vznikající při procesu. Často se jedná o mikroskopické nečistoty, jako jsou částice, molekulární kontaminace z uhlovodíků z čerpadel nebo iontové znečištění například z ručního svařování. Tyto kontaminanty se usazují na povrchu křemíkových waferů a mohou mít následně negativní dopad na výrobky. Může dojít ke stínění při expozici fotorezistu na křemíkových deskách. Také urychlené ionty při implantacích mohou být odraženy od povrchu desek. Uzavřené částice způsobí popraskání nanesených vrstev na těchto místech. Molekulární kontaminanty pronikají do vrstev. Přilnavost následných vrstev se tím může zhoršit, stejně jako jejich elektrické vlastnosti.

Typická sekvence čištění může vypadat takto: Wafery jsou nejprve čištěny v ultrazvukové lázni s vodou a čisticími a odmašťovacími prostředky, čímž se odstraní částice z povrchu. Kovové a molekulární nečistoty jsou částečně vázány čisticím prostředkem. Poté se organické nečistoty, jako tuk nebo olej, odstraňují acetonem nebo ethanolem. Zůstávají na povrchu zbytky uhlíku. Nakonec se iontové nečistoty spláchnou úplně pomocí úplně odsolené vody a suší se v atmosféře dusíku v suché sušárně. Po každém kroku procesu jsou wafery opláchnuty čistou vodou. Výroba polovodičů tedy vyžaduje velké množství čisté vody, která nesmí obsahovat téměř žádné nečistoty. Úplně odsolená voda, podle produktu a použití také UV-dezinfikovaná, je při těchto procesech nezbytná.

Hodně znamená hodně!?

Čistota čištění a potřebné množství vody se výrazně liší podle produktu a odvětví. Přesto se doporučuje všem uživatelům s potřebou čistící vody zvážit investici do úpravy vody. Intervaly údržby čisticích zařízení mohou být prodlouženy, náklady na čisticí přísady sníženy. Lepší výsledky čištění vedou k vyšší kvalitě výrobků. Prevence šetří dodatečnou práci.