Odpowiednia jakość wody do czyszczenia elementów

Dr. Steffen Orben - Współwłaściciel zarządzający

Ionenaustauscheranlage zur Reinraumwasser-Versorgung an der FH Kaiserslautern/Standort Zweibrücken (Foto: W. Pfeifer)

Żele jonowymienne (Zdjęcie: Orben)

Kolby wymiany jonów (Zdjęcie: Orben)

Regeneracja Harzu (Zdjęcie: Orben)

Przygotowanie elementów do kolejnych etapów obróbki oraz czystość produktów interesują wszystkie zakłady produkcyjne. Dokładne czyszczenie oznacza dla jednego producenta brak tłuszczu na powierzchni produktu. Inny nie chce po czyszczeniu pozostawionych śladów minerałów na elemencie, ponieważ nawet najmniejsze osady mogą uczynić produkty nieużytecznymi. Dla wszystkich zastosowań obowiązuje zasada: wynik czyszczenia może być tylko tak dobry, jak ostatni cykl płukania.

Czysta woda nie jest równa czystej wodzie

Woda z kranu często nie wystarcza do czyszczenia elementów. Zamiast tego potrzebna jest odmineralizowana woda. Lepsza od wody z kranu, w której rozpuszczone są sole i inne substancje. Stężenie soli jest określane przez pomiar przewodności elektrycznej wody. Podawane jest w mikro-Siemensach na centymetr [μS/cm]. Średnia woda z kranu ma około 700 μS/cm. Systemy uzdatniania wody mogą usuwać sole i zmniejszać przewodność. Użytkownik może wybierać spośród różnych metod, które dostarczają mu różne jakości wody.

Różne drogi do celu

Odwrócona osmoza polega na odsalaniu wody przez drobne filtracje. Wodę z kranu przepuszcza się pod ciśnieniem przez półprzepuszczalną membranę, która zatrzymuje sole. Przez nią przechodzi czysta woda. Powstaje woda o przewodności około 30 μS/cm, co stanowi ułamek przewodności wyjściowej, ale jeszcze nie spełnia wielu wymagań technicznej czystości. Dlatego odwrócona osmoza najczęściej służy jako wstępne przygotowanie do wymiany jonowej, gdy potrzebna jest duża ilość wody całkowicie odsolonej i aby wydłużyć żywotność wymienników jonowych.

Dejonizacja (pełne odsalanie) za pomocą wymienników jonowych usuwa jony rozpuszczonych soli. Kationy i aniony są przepuszczane przez żywice wymiennikowe, które wiążą rozpuszczone naładowane składniki wody. Wynik to woda o przewodności około 0,1 μS/cm, znacznie mniej zanieczyszczona solami niż w odwróconej osmozie. Typowa 40-litrowa żywica produkuje średnio 5000 litrów wody odsolonej z wody z kranu. Żywice można wielokrotnie regenerować. Koszty inwestycyjne i obsługa są stosunkowo niskie. Warunkiem jest dostawca z usługami serwisowymi na miejscu i wiarygodną dokumentacją partii. Koszty operacyjne powstają jedynie przy wymianie żywic.

Jakość ma swoją cenę. Dotyczy to szczególnie kosztów zakupu i eksploatacji urządzeń czyszczących. Oszczędzając na pełnym odsalaniu, można później narzekać na spadek jakości i wyższe koszty późniejszej eksploatacji.

Kto potrzebuje wody odsolonej?

Wymagane jakości wody różnią się w zależności od wymagań produktów różnych firm produkcyjnych. Również liczba wyprodukowanych sztuk znacząco wpływa na dzienną potrzebę procesowej wody.

W laboratorium w ramach uczelni powstają prototypy mikrosystemów. Tworzone są tu najdrobniejsze struktury i układy elektroniczne w mikrometrowym wymiarze. Wymagania dotyczące czystości produkcji i końcowego czyszczenia są wysokie. Do mikro-mechanicznych i mikroelektronicznych elementów, do analiz i prób potrzebna jest woda odsolona. Nawet najmniejsze mineralne osady między ścieżkami na produktach mogą prowadzić do awarii i zniszczenia elementów. Żywice jonowe dostarczają wodę procesową o przewodności poniżej 0,1 μS/cm. Wydajność odsalania żywic z czasem maleje. W produkcji serii zerowej konieczne są powtarzalne wyniki. Jest to możliwe dzięki zastosowaniu dwóch identycznych żywic, zapewniających stałą jakość wody. Coraz więcej jonów wiąże się z żywicami pierwszej żywicy. Gdy przekroczony zostanie określony próg przewodności, następuje przełączenie na drugą żywicę. Zużyta żywica może być szybko wymieniona. Zużycie wody w laboratorium prototypowym jest stosunkowo niskie. Dodatkowe środki uzdatniania nie są tutaj opłacalne.

Laboratoria o dużym zapotrzebowaniu na wodę mogą korzystać z połączonego systemu uzdatniania. Odwrócona osmoza znacząco poprawia przewodność wody z kranu. Następnie zainstalowany wymiennik jonowy zapewnia wodę o jakości procesowej i znacznie dłuższej żywotności.

W laboratoriach w pomieszczeniach czystych, które muszą spełniać szczególne wymogi higieniczne, często stosuje się jeszcze dezynfekcję wody za pomocą promieniowania UV-C. Patogeny, takie jak bakterie, wirusy czy glony, przenoszone przez wodę, stanowią poważny problem dla wielu procesów. Technologia UV eliminuje te zanieczyszczenia, które mogą nadal znajdować się w czystej wodzie, bez dodawania chemikaliów.

Najwyższa czystość, nawet w produkcji seryjnej

W produkcji półprzewodników wymagana jest czysta przestrzeń, aby chronić bardzo skomplikowane elementy przed zanieczyszczeniami i zachować ich funkcjonalność. Mimo środowiska czystego pomieszczenia, nadal istnieje wiele źródeł zanieczyszczeń. Głównymi przyczynami są personel na linii produkcyjnej, otaczające powietrze i chemikalia powstające w procesie. Często są to mikroskopijne zanieczyszczenia, takie jak cząstki, kontaminacje molekularne pochodzące z węglowodorów z pomp lub zanieczyszczenia jonowe np. przez ręczne spawanie. Osadzają się na powierzchni wafli krzemowych i mogą powodować liczne negatywne skutki. Mogą wystąpić zaciemnienia podczas naświetlania fotolaków na waflach, a także przyspieszone jonowe zanieczyszczenia podczas implantacji, które mogą odpychać powierzchnię wafla. Uwięzione cząstki mogą powodować pękanie nałożonych warstw. Molekularne zanieczyszczenia mogą przenikać do warstw. Przyczepność kolejnych warstw może się pogorszyć, podobnie jak ich właściwości elektryczne.

Typowa kolejność czyszczenia może wyglądać następująco: najpierw wafle są czyszczone w ultradźwiękowym kąpieli z roztworem wody i środków czyszczących, aby usunąć cząstki z powierzchni. Metalowe i molekularne zanieczyszczenia są częściowo wiązane przez środek czyszczący. Następnie organiczne zanieczyszczenia, takie jak tłuszcz czy olej, usuwane są za pomocą acetonu lub etanolu, pozostawiając na powierzchni ślady węgla. Na końcu, za pomocą wody odsolonej, spłukiwane są jonowe zanieczyszczenia, a wafle suszone w atmosferze azotu w suszarce bezpyłowej. Po każdym etapie wafle są płukane w czystej wodzie. Dlatego produkcja półprzewodników wymaga dużej ilości czystej wody, która musi być niemal wolna od zanieczyszczeń. Woda odsolona, a w zależności od produktu także dezynfekowana UV, jest nieodzowna w tych procesach.

Wiele znaczy więcej!?

Jakości czyszczenia i ilości potrzebnej wody znacznie się różnią w zależności od produktu i branży. Niemniej jednak, wszystkim użytkownikom korzystającym z wody do czyszczenia zaleca się rozważenie inwestycji w system uzdatniania wody. Interwały konserwacji mogą być wydłużone, środki czyszczące zaoszczędzone, a lepsze wyniki czyszczenia przekładają się na wyższą jakość produktów. Zapobieganie jest tańsze niż naprawy i poprawki.