Große Chemie: Reinstwasser

Sep 20, 2023

Mein erster Job nach dem Studium war bei einem Biotech-Unternehmen in Cambridge, Massachusetts. Es handelte sich um eine kleine Einrichtung, und jeder hatte zusätzlich zu der wissenschaftlichen Arbeit, für die er eingestellt wurde, einen „Laborjob“ – die Aufgabe, die Gemeinschaftsbereiche des Labors instand zu halten. Meine Aufgabe bestand darin, die Wasseraufbereitungssysteme zu warten, die dafür sorgten, dass jeder über ausreichend reines, entionisiertes Wasser zum Arbeiten verfügte. Die Aufgabe bestand hauptsächlich darin, die Filter und Ionenaustauschkartuschen der letzten Poliereinheiten auszutauschen, wodurch das Leitungswasser ausreichend gereinigt wurde, um die Wissenschaft zu bereichern.

Wenn ich die Filterpakete wechselte, war ich immer erstaunt und empört über die darin enthaltenen Schleim- und Sedimentschichten. Ein Blick aus dem Fenster auf die Ufer des Flusses Charles – ich liebe dieses schmutzige Wasser – reichte aus, um zu erklären, was ich sah, und es war eine Lektion darüber, wie viele andere Dinge mit dem Wasser vermischt sind, mit dem man trinkt und kocht darin baden.

Während wir Menschen im Allgemeinen recht gut mit Wasser zurechtkommen, das als einigermaßen rein gilt, sind unsere industriellen Prozesse etwas ganz anderes. Alles, von Kraftwerken bis hin zu pharmazeutischen Produktionsanlagen, benötigt Wasser von viel, viel höherer Reinheit, aber nichts erfordert reineres Wasser als die spezialisierten, nanometergroßen Abläufe einer Halbleiterfabrik. Aber wie wird gewöhnliches Leitungswasser in eine Chemikalie von solch einer Reinheit umgewandelt, dass Schadstoffe in Teilen pro Billion gemessen werden? Und wie produzieren Fabriken genug von diesem Reinstwasser, um ihren Bedarf zu decken? Mit einer tollen Chemie.

Obwohl die Standards je nach Branche unterschiedlich sind, ist der Reinheitsgrad, den ultrareines Wasser (UPW) erreicht, im Allgemeinen nahezu unglaublich und im Vergleich zu etwas wie Trinkwasser schlechter. Selbst das reinste Trinkwasser ist in Wirklichkeit eine komplexe Mischung aus im Wasser gelösten Mineralien und Gasen, in der auch eine ganze Reihe von Partikeln suspendiert sind. Als Beispiel dafür, wie unterschiedlich UPW vom Trinkwasser ist, legt die US-Umweltschutzbehörde den Grenzwert für Chrom im Trinkwasser auf lediglich 0,1 Teile pro Million fest. Aber für UPW in Halbleiterqualität liegt die Grenze bei 2 Teilen pro Billion – 50.000 Mal weniger!

Wenn man über die Größenordnungen bei der Halbleiterfertigung nachdenkt, sind die strengen UPW-Standards durchaus sinnvoll. Die Größe der auf Siliziumwafern geätzten Strukturen variiert je nach Prozessknoten, aktuelle Prozesse können jedoch leicht durch ein Partikel mit einem Durchmesser von nur wenigen Nanometern zerstört werden. Im Maßstab liegt ein Coronavirus-Partikel in der Größenordnung von 100 nm. Die Kontrolle von Partikeln in UPW kann mühsam sein, vor allem weil Partikel von fast überall in den Rohrleitungen, Tanks, Pumpen und Bottichen der im Reinigungsprozess verwendeten Chemikalien stammen können.

Partikel sind nicht die einzigen Schadstoffe, mit denen man umgehen muss. Während die glatten, sauberen Oberflächen der UPW-Ausrüstung einer Fabrik wie ein schlechter Ort für das Gedeihen von Leben erscheinen mögen, haben Bakterien nachweislich die Fähigkeit, selbst die unwahrscheinlichsten ökologischen Nischen zu besiedeln. Biofilme können für UPW-Systeme ein großes Problem darstellen und sich überall dort bilden, wo sich Wasser ansammeln kann. Biofilme können sowohl zur Partikelkontamination als auch zum gesamten oxidierbaren Kohlenstoff (TOC, auch bekannt als „gesamter organischer Kohlenstoff“) beitragen, bei dem es sich im Wesentlichen um die Überreste abgestorbener Bakterien handelt.

Abgesehen von Partikeln und TOC sind die anderen Hauptverursacher der UPW-Kontamination tendenziell wasserlösliche Substanzen wie Mineralien und Gase. Natrium gibt Anlass zu großer Sorge, vor allem weil es tendenziell ein führender Indikator für Probleme in Ionenaustauscherharzen ist, die zur Verarbeitung von UPW verwendet werden – mehr dazu weiter unten. Auch Silikate sind ein Problem, ebenso wie gelöste Gase – Sauerstoff ist hochreaktiv und kann leicht die Metallschichten oxidieren, die zum Aufbau eines Chips benötigt werden, und Kohlendioxid dissoziiert leicht in Wasser unter Bildung von Kohlensäure, was die Leitfähigkeit von Wasser erhöht und schädlich ist bis hin zu Waferprozessen.

Kurz gesagt, das Wasser, das zur Herstellung von Chips verwendet wird, muss so nah wie möglich an „rein Wasser“ sein. Dies zu erreichen, erfordert jedoch einen bemerkenswerten Aufwand. Und es ist nicht nur die Reinheit, sondern auch die Lautstärke. Eine Halbleiterfabrik verbraucht eine unglaubliche Menge an UPW – zwei bis drei Millionen Gallonen (7 bis 12 Millionen Liter) pro Tag. Es ist eine große Herausforderung, Prozesse zu entwickeln, die so viel Wasser gemäß derart strengen Anforderungen reinigen, es in diesem Reinheitsgrad halten, bis es benötigt wird, und es nach Möglichkeit recyceln.

Die UPW-Produktion beginnt mit der Massenaufbereitung des rohen Speisewassers. Zu den Schritten gehören Prozesse, die in den meisten kommunalen Kläranlagen vorkommen – die Zugabe von Flockungs- und Koagulationsverbindungen, um alle suspendierten Feststoffe zusammenzuklumpen, Sedimentation, damit sich die Klumpen absetzen können, und Massenfiltration, um den Rest zu entfernen. Diese Schritte dienen dazu, die größten und schlimmsten Brocken zu entfernen – relativ gesehen; Das Speisewasser für die meisten Fabriken ist kommunales Wasser, das für den menschlichen Gebrauch geeignet wäre – und bereitet das Wasser für die Prozesse vor, die nach und nach feinere Verunreinigungen entfernen.

Der nächste Schritt besteht normalerweise aus einer oder zwei Stufen der Umkehrosmose (RO). Wie der Name schon sagt, ist Umkehrosmose das Gegenteil des natürlichen Prozesses der Osmose, der auftritt, wenn ein Ungleichgewicht zwischen der Konzentration zweier gelöster Stoffe über eine semipermeable Membran besteht. Das Lösungsmittel tendiert dazu, von der Seite mit niedriger Konzentration an gelöstem Stoff zur konzentrierteren Seite zu wandern, um das Ungleichgewicht auszugleichen. Bei RO wird der osmotische Druck überwunden, indem mit einer Pumpe Energie in das System eingebracht wird, die das Lösungsmittel (Wasser) dazu zwingt, über eine Membran zur Seite mit niedrigerer Konzentration gelöster Stoffe zu wandern und die gelösten Stoffe zurückzulassen. Die semipermeable Membran besteht aus einer Vliesstoff-Trägerschicht, die mit Schichten aus Polymeren wie Polysulfon und Polyamid überzogen ist, die eine Barriere bilden, durch die Wasser eindringen kann, größere gelöste Stoffe jedoch nicht.

Ultraviolettes Licht wird in mehreren Phasen der UPW-Produktion verwendet. UV-Strahlung der richtigen Wellenlänge tötet nicht nur alle nach den Vorbehandlungsschritten verbleibenden Bakterien ab, sondern neigt auch dazu, die Biopolymere wie Proteine, DNA und RNA in den Bakterienresten abzubauen. Je stärker diese Makromoleküle in diesem Stadium zerkleinert werden, desto leichter lassen sie sich in späteren Verarbeitungsphasen entfernen.

Um elektrisch geladene Verunreinigungen aus dem Prozesswasser zu entfernen, wird eine Ionenaustauschbehandlung eingesetzt. Beim Ionenaustausch werden spezielle Polymerharzkügelchen verwendet, die auf ihrer Oberfläche Bindungsstellen aufweisen. Die Bindungsstellen sind entweder positiv geladen (Kationenaustauscher) oder negativ geladen (Anionenaustauscher). Wenn Prozesswasser über einen Bottich mit Ionenaustauscherharz fließt, neigen die geladenen Ionen, die sich in Lösung befinden, dazu, sich an die Stellen im Harz mit der entgegengesetzten Ladung zu binden und sie so effektiv aus dem Prozesswasser zu entfernen.

Manchmal wird auch eine Variante des Ionenaustauschs verwendet, die als Elektrodeionisierung (EDI) bezeichnet wird. EDI kombiniert grundsätzlich Ionenaustausch mit Umkehrosmose und Elektrolyse, wobei ein elektrischer Strom durch mehrere durch semipermeable Membranen getrennte Harzbetten fließt, um Ionen aus dem Prozesswasser zu entfernen.

Nach einem letzten Entgasungsschritt ist das UPW endlich rein genug, um in Fab-Prozesse einzutreten. Oder ist es? Das ist schwer zu wissen, da UPW, das sauber genug ist, um die Anforderungen des Herstellungsprozesses zu erfüllen, zu sauber ist, um mit irgendeiner aktuellen Technologie gemessen zu werden. Das bringt Ingenieure in eine schwierige Lage, da die einzige zuverlässige Möglichkeit, festzustellen, ob der UPW-Prozess fehlerhaft ist, häufig darin besteht, einen Rückgang der Chipausbeute und, gelinde gesagt, teure und verschwenderische Tests zu beobachten.

Dennoch gibt es einige messtechnische Methoden, die zur Überwachung des UPW-Prozesses eingesetzt werden. Das primäre Maß ist die Leitfähigkeit des Wassers, anhand derer das Vorhandensein einer Reihe von Verunreinigungen beurteilt werden kann. Aus praktischen Gründen wird normalerweise der Kehrwert der Leitfähigkeit, der spezifische Widerstand, gemessen, wobei der Wert für reines Wasser 18,18 MΩ⋅cm bei 25 °C beträgt. Der spezifische Widerstand kann äußerst empfindlich sein – die Zugabe von Natrium auf nur 0,1 Teile pro Milliarde senkt den spezifischen Widerstand auf 18,11 MΩ⋅cm, und ein solcher Abfall kann darauf hinweisen, dass ein vorgeschaltetes Ionenaustauscherbett der Aufmerksamkeit bedarf. Und wie bereits erwähnt, können Luftlecks im System anhand der Widerstandsänderung erkannt werden, die durch die Auflösung von CO2 im System verursacht wird.

Aber wenn es um die Messung von Partikeln geht, stehen nicht viele Methoden zur Verfügung, die so verdünnte und winzige Partikel erkennen können, wie sie für UPW in Fabrikqualität erforderlich sind. Eine Technologie, die dem nahe kommt, ist die dynamische Lichtstreuung (DLS), bei der polarisiertes Laserlicht von einer Wasserprobe reflektiert wird. Das gestreute Licht durchläuft auf seinem Weg einen weiteren Polarisator zu einem Detektor, wo ein Schnappschuss des gestreuten Lichts gemacht wird. Der Vorgang wird kurze Zeit später in der Größenordnung von Mikro- bis Nanosekunden wiederholt und die Bilder verglichen. Der Unterschied zwischen den beiden Bildern lässt sich auf die Brownsche Bewegung der in der Probe befindlichen Partikel und auf die konstruktive oder destruktive Interferenz zurückführen, die durch die Bewegungen der Partikel verursacht wird. Dies führt zu einer Messung der Partikelanzahl und Größenverteilung, möglicherweise bis in den Sub-Nanometer-Bereich.

UPW-Systeme für Fabriken bieten noch viel mehr, darunter unglaublich komplexe Recyclingsysteme, die das mit Abfall beladene Wasser nach der Verwendung in Fabrikprozessen auffangen und für die weitere Verwendung zurückgewinnen. Und UPW-Standards sind ebenfalls ein bewegliches Ziel. Verunreinigungen, die in den größeren Prozessknoten der Vergangenheit unbemerkt geblieben wären, gelten heute als Killerpartikel für 5-nm-Knoten. Daher liegt es auf der Hand, dass die UPW-Standards mit der Weiterentwicklung der Prozessknoten noch strenger werden müssen. Und Ingenieure müssen mithalten und irgendwie Systeme bauen, die Ozeane aus Wasser erzeugen können, das reiner ist, als messbar ist.