大きな化学: 超純水

Sep 20, 2023

大学院を卒業して最初に就職したのは、マサチューセッツ州ケンブリッジにあるバイオテクノロジー企業でした。 それは小規模な組織であり、全員が、雇われた科学関連の仕事に加えて、研究室の共有エリアを維持する仕事、つまり「研究室の仕事」を担当していました。 私の仕事は、全員が作業に使用できる純粋な脱イオン水を十分に供給できるようにする浄水システムを維持することでした。 作業は主に、最終研磨装置のフィルターとイオン交換カートリッジを交換することで構成され、水道水は科学に使用できるほどきれいになりました。

フィルターパックを交換するとき、私はいつもその中のスライムや沈殿物の層に驚き、嫌悪感を抱きました。 チャールズ川の岸辺を窓の外に垣間見ただけで、私が見ていたものを説明するには十分でした。そしてそれは、あなたが飲んだり料理したりする水に、どれだけ他のものが混入しているかを学ぶものでした。入浴する。

私たち人間は一般に、ある程度純粋と評価される水でもかなりうまく処理できますが、工業プロセスはまったく別のものです。 発電所から医薬品製造施設に至るまで、あらゆるものに非常に高純度の水が必要ですが、半導体工場の特殊なナノメートルスケールの作業ほど純度の高い水を必要とするものはありません。 しかし、普通の水道水はどのようにして汚染物質が兆分の1単位で測定されるような純度の化学物質に変わるのでしょうか? そして、工場はどのようにしてニーズを満たすのに十分な量の超純水を生産しているのでしょうか? いくつかの大きな化学反応があります。

基準は業界によって異なりますが、一般に、超純水 (UPW) が達成する純度のレベルはほとんど信じられないほどであり、飲料水などと比較すると劣ります。 最も純粋な飲料水であっても、実際にはミネラルとガスが水に溶けた複雑な混合物であり、その中にはかなりの数の微粒子も浮遊しています。 UPW が飲料水とどのように異なるかを示す例として、米国環境保護庁は飲料水中のクロムの制限をわずか 0.1 ppm に設定しています。 しかし、半導体グレードの UPW の場合、その制限は 2 ppt であり、50,000 分の 1 です。

半導体製造に関わる規模を考えると、厳格な UPW 規格は完全に理にかなっています。 シリコンウェーハ上にエッチングされるフィーチャのサイズはプロセスノードによって異なりますが、現在のプロセスは直径わずか数ナノメートルの粒子によって簡単に破壊されてしまいます。 規模としては、コロナウイルス粒子は 100 nm 程度です。 UPW における微粒子の管理は、主に、精製プロセスで使用される化学薬品の配管、タンク、ポンプ、バットのほぼどこからでも微粒子が発生する可能性があるため、厄介な場合があります。

対処しなければならない汚染物質は粒子だけではありません。 工場工場の UPW 装置の滑らかできれいな表面は、生命が繁栄するには悪い場所のように思えるかもしれませんが、バクテリアは、最もありそうもない生態学的ニッチにさえ定着する能力を証明されています。 バイオフィルムは UPW システムに大きな問題を引き起こす可能性があり、水が溜まる場所であればどこでも形成される可能性があります。 バイオフィルムは、微粒子汚染だけでなく、本質的に死んだ細菌の残骸である全酸化可能炭素 (TOC、別名全有機炭素) の両方の原因となる可能性があります。

微粒子や TOC のほかに、UPW 汚染の主な原因は、鉱物やガスなどの水溶性物質である傾向があります。 ナトリウムは主に UPW の加工に使用されるイオン交換樹脂の問題の先行指標となる傾向があるため、大きな懸念事項です。これについては以下で詳しく説明します。 溶存ガスと同様にケイ酸塩も懸念されます。酸素は反応性が高く、チップの構築に必要な金属層を容易に酸化させる可能性があります。また、二酸化炭素は水中で容易に解離して炭酸を形成します。炭酸は水の導電率を高めて有害です。ウエハープロセスまで。

一言で言えば、チップの製造に使用される水は、できる限り「ただの水」に近づける必要があります。 ただし、そのようにするには、かなりの努力が必要です。 そしてそれは純粋さだけではなく、ボリュームも重要です。 半導体工場では、1 日あたり 200 ～ 300 万ガロン (700 ～ 1200 万リットル) という、気が遠くなるような量の UPW が使用されます。 これだけの量の水をこのような厳しい要件に合わせて浄化し、必要になるまでその純度を維持し、可能な場合にはリサイクルできるプロセスを構築することは、大きな課題です。

UPW の生産は、原水の大量処理から始まります。 ここでのステ​​ップには、ほとんどの自治体の下水処理プラントで行われるプロセス、つまり浮遊固体を凝集させるための凝集剤と凝固剤の添加、凝集塊を沈降させるための沈降、および残りを除去するためのバルクろ過が含まれます。 これらの手順は、相対的に言えば、最大かつ最も厄介なチャンクを削除するのに役立ちます。 ほとんどの工場の供給水は、人間が消費しても問題のない市水であり、さらに細かい汚染物質を順次除去するプロセス用に水を準備します。

次のステップは通常、1 段階または 2 段階の逆浸透 (RO) です。 名前が示すように、逆浸透は、半透膜を通過する 2 つの溶質の濃度間に不均衡が存在するときに発生する浸透の自然プロセスの逆です。 溶媒は、不均衡を平準化するために、溶質濃度の低い側からより濃度の高い側に移動する傾向があります。 RO では、ポンプでシステムにエネルギーを投入することで浸透圧を克服します。これにより、溶媒 (水) が膜を通って溶質濃度の低い側に移動し、溶質が残されます。 半透膜は、不織布支持層の上にポリスルホンやポリアミドなどのポリマー層を重ねて作られており、水は通過できますが、より大きな溶質は通過できないバリアを形成します。

紫外線は UPW 製造のいくつかの段階で使用されます。 正しい波長の UV は、前処理ステップ後に残った細菌を殺すだけでなく、細菌の残骸にあるタンパク質、DNA、RNA などの生体高分子を分解する傾向があります。 この段階でこれらの巨大分子が細かく切り刻まれるほど、後の処理段階での除去が容易になります。

プロセス水から帯電した汚染物質を除去するために、イオン交換処理が使用されます。 イオン交換には、表面に結合部位を持つ特殊なポリマー樹脂ビーズが使用されます。 結合部位は、正に帯電している (カチオン交換体) か、負に帯電している (アニオン交換体) かのいずれかです。 プロセス水がイオン交換樹脂のバットの上を流れると、溶液中の荷電イオンが樹脂内の逆の電荷を持つ部位に結合する傾向があり、プロセス水からそれらを効果的に除去します。

電気脱イオン (EDI) と呼ばれるイオン交換のバリエーションも使用されることがあります。 EDI は基本的に、イオン交換と逆浸透および電気分解を組み合わせたもので、半透膜で分離された複数の樹脂床を通過する電流を使用してプロセス水からイオンを除去します。

最終的な脱気ステップを経て、UPW は最終的に製造プロセスに入るのに十分な純度になります。 またはそれは？ 製造プロセスの要件を満たすのに十分にクリーンな UPW は、現在のテクノロジーでは測定できないほどクリーンであるため、それはわかりません。 そのため、エンジニアは難しい立場に置かれています。多くの場合、UPW プロセスに欠陥があるかどうかを知るための信頼できる唯一の方法は、チップの歩留まりの低下と、控えめに言っても高価で無駄な検査を確認することだけです。

その事実にもかかわらず、UPW プロセスを監視するために採用されている計測手法がいくつかあります。 主な測定は水の導電率であり、これを使用してさまざまな汚染物質の存在を判断できます。 実用的な理由から、通常は導電率の逆数である抵抗率が測定され、純水の測定値は 25°C で 18.18 MΩ・cm です。 抵抗率は非常に敏感です。ナトリウムをわずか 0.1 ppb 添加すると、抵抗率は 18.11 MΩ・cm に低下します。このような低下は、上流のイオン交換床に注意が必要であることを示している可能性があります。 また、前述したように、システム内の空気漏れは、システム内に溶解する CO2 によって引き起こされる抵抗率の変化によって検出できます。

しかし、微粒子の測定に関しては、ファブグレードの UPW に必要とされるような希薄で微細な粒子を検出できる方法はあまりありません。 これに近づきつつあるテクノロジーの 1 つは、偏光レーザー光を水サンプルで反射させる動的光散乱 (DLS) です。 散乱光は検出器に向かう途中で別の偏光子を通過し、そこで散乱光のスナップショットが撮影されます。 このプロセスは、マイクロ秒からナノ秒程度の短時間後に繰り返され、画像が比較されます。 2 つの画像間の違いは、サンプル内に存在する粒子のブラウン運動と、粒子の動きによって引き起こされる建設的または破壊的干渉に起因すると考えられます。 これにより、サブナノメートルの範囲まで粒子数とサイズ分布が測定される可能性があります。

ファブ向けの UPW システムには、さらに多くの機能があります。たとえば、ファブのプロセスで使用された後の廃棄物を含む水を回収し、さらなる使用のために再利用する信じられないほど複雑なリサイクル システムが含まれます。 また、UPW 規格も非常に流動的な目標です。 過去の大型プロセス ノードでは気づかれなかった汚染物質が、現在では 5 nm ノードではキラー パーティクルとみなされているため、プロセス ノードが進歩するにつれて UPW 規格がさらに厳しくなる必要があるのは当然です。 そしてエンジニアたちは、測定不可能なほど純粋な水の海を作り出すシステムを何とかして構築し、追いつく必要があるだろう。