Qualité d'eau appropriée pour le nettoyage des composants

Dr. Steffen Orben - Associé gérant

Échangeur d'ions pour l'approvisionnement en eau pour salles blanches à la FH Kaiserslautern / site de Zweibrücken (Photo : W. Pfeifer)

Résines échangeuses d'ions (Photo : Orben)

Cartouches échangeuses d'ions (Photo : Orben)

Régénération du Harz (Photo : Orben)

La préparation des pièces pour les étapes de traitement suivantes et la propreté des produits intéressent toutes les entreprises de fabrication. Un nettoyage approfondi signifie pour un fabricant de produits une surface sans graisse. Un autre souhaite ne pas trouver de traces de minéraux sur la pièce après le nettoyage, car même les plus petites dépôts pourraient rendre les produits inutilisables. Pour toutes les applications, il en va de même : le résultat du nettoyage ne peut être aussi bon que le dernier rinçage.

L'eau propre n'est pas équivalente à une eau pure

Il ne suffit souvent pas d'utiliser de l'eau du robinet pour le nettoyage des pièces. À la place, il faut de l'eau déminéralisée. Elle élimine mieux les saletés que l'eau du robinet, dans laquelle des sels et autres substances sont dissous. La concentration en sels est déterminée par la mesure de la conductivité électrique de l'eau. Elle est indiquée en microsiemens par centimètre [μS/cm]. L'eau du robinet moyenne possède environ 700 μS/cm. Les systèmes de traitement de l'eau peuvent éliminer les sels de l'eau et réduire la conductivité. L'utilisateur peut choisir parmi différentes méthodes qui lui fournissent des qualités d'eau variées.

Différents chemins pour atteindre un objectif

Par osmose inverse, l'eau est désalinisée par filtration très fine. L'eau du robinet est poussée sous pression à travers une membrane semi-perméable qui retient les sels. L'eau pure passe à travers. On obtient une eau dont la conductivité est d'environ 30 μS/cm, une fraction de celle de l'eau de départ, mais qui ne répond pas encore à toutes les exigences de propreté technique. C'est pourquoi l'osmose inverse sert généralement de prétraitement pour l'échange d'ions, lorsque de grandes quantités d'eau entièrement déminéralisée sont nécessaires et que la durée de vie de la cartouche d'échangeur d'ions doit être prolongée.

La déionisation (désalination totale) par cartouches d'échangeurs d'ions élimine les ions des sels dissous dans l'eau. Les résines échangeuses de cations et d'anions sont traversées par l'eau et lient les composants ioniques chargés électriquement. Le résultat est une eau avec une conductivité d'environ 0,1 μS/cm, nettement moins salée que celle issue de l'osmose inverse. Une cartouche de 40 litres fournit en moyenne 5 000 litres d'eau entièrement déminéralisée à partir de l'eau du robinet. Les résines peuvent être régénérées à plusieurs reprises. Les coûts d'investissement et les exigences de manipulation sont relativement faibles. La condition est un prestataire avec service sur site et une documentation fiable des lots. Les coûts d'exploitation ne proviennent que du service de remplacement des cartouches.

La qualité a son prix. Cela vaut notamment pour les coûts d'achat et d'exploitation des systèmes de nettoyage. Ceux qui économisent sur la déionisation peuvent ultérieurement regretter une perte de qualité et des coûts de suivi plus importants.

Qui a besoin d'eau entièrement déminéralisée ?

Les qualités d'eau nécessaires varient selon les exigences des différents fabricants. Même le volume de pièces produites influence fortement la quantité d'eau de procédé requise par jour.

Dans une salle blanche d'une université, des prototypes de microsystèmes sont fabriqués. Ici, des structures très fines et des circuits électroniques sont créés à l'échelle micrométrique. Les exigences de pureté pour la fabrication et le nettoyage final sont élevées. Pour les pièces micromécaniques ou microélectroniques, pour les analyses et essais, de l'eau entièrement déminéralisée est requise. Même de petites dépôts minéraux entre les pistes des produits pourraient entraîner des dysfonctionnements et la destruction des composants. Les cartouches d'échangeurs d'ions fournissent une eau de procédé avec une conductivité inférieure à 0,1 μS/cm. La capacité de désalination des échangeurs diminue avec le temps. En production en série zéro, des résultats reproductibles sont nécessaires. Cela est assuré par l'utilisation de deux cartouches identiques, garantissant une qualité d'eau constante. De plus en plus d'ions se lient aux résines de la première cartouche. Lorsqu'un seuil de conductivité défini est dépassé, le changement est effectué vers la seconde cartouche. La cartouche usagée peut être remplacée rapidement. La consommation d'eau dans la salle blanche de prototypes est relativement faible. Des mesures supplémentaires de traitement de l'eau ne seraient pas rentables à ce stade.

Pour les laboratoires avec de grands besoins en eau, une installation combinée de traitement de l'eau est recommandée. L'osmose inverse améliore d'abord considérablement la conductivité de l'eau du robinet. La résine d'échangeur d'ions en aval amène l'eau à une qualité de procédé, avec une durée de vie nettement plus longue.

Dans les laboratoires de salles blanches qui doivent respecter des exigences d'hygiène particulières, une étape supplémentaire consiste souvent à désinfecter l'eau par irradiation UV-C. Les agents pathogènes tels que bactéries, virus ou algues, transmis par l'eau, posent problème pour de nombreux processus. La technologie UV élimine ces contaminations, qui peuvent encore être présentes dans l'eau pure, sans ajout de produits chimiques.

Une propreté maximale, même en production en série

Dans la fabrication de semi-conducteurs, un environnement en salle blanche est indispensable pour protéger les composants très complexes contre la contamination et préserver leur fonctionnalité. Malgré cet environnement, il existe encore de nombreuses sources de contamination. Les principales causes sont le personnel de la ligne de fabrication, l'air ambiant et les produits chimiques générés lors du processus. Il s'agit souvent de contaminations microscopiques telles que particules, contaminations moléculaires par des hydrocarbures provenant des pompes ou de pollutions ioniques, par exemple par soudure à la main. Ces contaminants se déposent à la surface des wafers de silicium et peuvent avoir de nombreuses conséquences négatives. Par exemple, ils peuvent provoquer des effets de masquage lors de l'exposition de la couche de photolithographie sur les disques de silicium. Les ions accélérés lors des processus d'implantation peuvent également être repoussés de la surface du disque. Les particules emprisonnées peuvent faire éclater les couches appliquées à ces endroits. Les contaminations moléculaires diffusent dans les couches. L'adhérence des couches suivantes peut en être altérée, tout comme leurs propriétés électriques.

Une séquence de nettoyage typique pourrait être la suivante : les wafers sont d'abord nettoyés dans un bain à ultrasons, une solution d'eau et de détergents de nettoyage et de réseau, pour éliminer les particules de la surface. Les métaux et contaminations moléculaires sont partiellement liés par le détergent. Ensuite, l'acétone ou l'éthanol éliminent les contaminants organiques tels que graisse ou huile. Des résidus de carbone restent alors à la surface. Enfin, avec de l'eau entièrement déminéralisée, les contaminants ioniques sont rincés, puis les wafers sont séchés dans une chambre sous atmosphère d'azote. Après chaque étape, les wafers sont rincés à l'eau pure. La fabrication de semi-conducteurs nécessite donc une très grande quantité d'eau pure, qui doit être quasiment exempte de toute contamination. L'eau entièrement déminéralisée, voire désinfectée par UV selon le produit et l'application, est indispensable dans ces processus.

Beaucoup, c'est mieux ?

Les qualités de nettoyage et les quantités d'eau nécessaires varient fortement selon le produit et le secteur. Néanmoins, il est conseillé à tous les utilisateurs ayant des besoins en eau de nettoyage d'envisager un investissement dans le traitement de l'eau. Les intervalles d'entretien des systèmes de nettoyage peuvent être prolongés, des additifs de nettoyage peuvent être économisés. De meilleurs résultats de nettoyage conduisent à une meilleure qualité des produits. La prévention évite la reprise de travail.