Gran química: agua ultrapura

Sep 20, 2023

Mi primer trabajo después de la escuela de posgrado fue en una empresa de biotecnología en Cambridge, Massachusetts. Era un equipo pequeño y todos tenían un "trabajo de laboratorio" además de la ciencia para la que fueron contratados, una tarea para mantener las áreas comunes del laboratorio. Mi trabajo consistía en mantener los sistemas de purificación de agua que aseguraban que todos tuvieran un amplio suministro de agua pura y desionizada para trabajar. El trabajo consistió principalmente en cambiar el filtro y los cartuchos de intercambio iónico de las unidades de pulido final, que limpiaron el agua del grifo lo suficiente para la ciencia.

Cuando cambiaba los paquetes de filtros, siempre me sorprendían y me rebelaban las capas de limo y sedimentos que contenían. Un vistazo por la ventana a las orillas del río Charles (me encanta esa agua sucia) fue suficiente para explicar lo que estaba viendo, y fue una lección sobre cuántas otras cosas se mezclan con el agua que bebes y cocinas y bañarse

Si bien los humanos generalmente podemos hacerlo bastante bien con agua que califica como razonablemente pura, nuestros procesos industriales son otra cosa. Todo, desde las centrales eléctricas hasta las instalaciones de fabricación de productos farmacéuticos, necesita agua de mucha, mucha mayor pureza, pero nada requiere agua más pura que las operaciones especializadas a escala nanométrica de una fábrica de semiconductores. Pero, ¿cómo se transforma el agua corriente del grifo en una sustancia química de tal pureza que los contaminantes se miden en partes por billón? ¿Y cómo producen las fábricas suficiente agua ultrapura para satisfacer sus necesidades? Con una gran química.

Aunque los estándares varían según la industria, en general, el nivel de pureza alcanzado por el agua ultrapura (UPW) es casi increíble y sufre en comparación con algo como el agua potable. Incluso el agua potable más pura es en realidad una mezcla compleja de minerales y gases disueltos en agua, con una buena cantidad de partículas suspendidas en ella también. Como ejemplo de lo diferente que es el UPW del agua potable, la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. establece el límite de cromo en el agua potable a solo 0,1 partes por millón. Pero para UPW de grado semiconductor, el límite es de 2 partes por billón, ¡50 000 veces menos!

Cuando piensa en las escalas involucradas en la fabricación de semiconductores, los estrictos estándares de UPW tienen mucho sentido. El tamaño de las características que se graban en las obleas de silicio varía según el nodo del proceso, pero los procesos actuales pueden eliminarse fácilmente con una partícula de solo unos pocos nanómetros de diámetro. Para la escala, una partícula de coronavirus es del orden de 100 nm. El control de partículas en UPW puede ser molesto, principalmente porque las partículas pueden provenir de casi cualquier parte de las tuberías, tanques, bombas y cubas de productos químicos utilizados en el proceso de purificación.

Las partículas no son los únicos contaminantes que deben tratarse. Si bien las superficies lisas y limpias del equipo UPW de una planta fabulosa pueden parecer un lugar pobre para que florezca la vida, las bacterias tienen una capacidad comprobada para colonizar incluso los nichos ecológicos más improbables. Las biopelículas pueden presentar un gran problema para los sistemas UPW, y pueden formarse en cualquier lugar donde se permita que el agua se acumule. Las biopelículas pueden contribuir tanto a la contaminación por partículas como al carbono oxidable total (TOC, también conocido como carbono orgánico total), que es esencialmente los restos de bacterias muertas.

Aparte de las partículas y el TOC, los otros principales contribuyentes a la contaminación por UPW tienden a ser sustancias solubles en agua, como minerales y gases. El sodio es una gran preocupación, principalmente porque tiende a ser un indicador principal de problemas en las resinas de intercambio iónico que se utilizan para procesar UPW; más sobre esto a continuación. Los silicatos también son una preocupación, al igual que los gases disueltos: el oxígeno es altamente reactivo y puede oxidar fácilmente las capas de metal necesarias para construir un chip, y el dióxido de carbono se disocia fácilmente en el agua para formar ácido carbónico, lo que aumenta la conductividad del agua y es perjudicial. a los procesos de obleas.

En pocas palabras, el agua que se utilizará para construir chips debe estar lo más cerca posible de "solo agua". Sin embargo, lograrlo de esa manera requiere una cantidad notable de esfuerzo. Y no es solo la pureza, también es el volumen. Una fábrica de semiconductores utiliza una cantidad alucinante de UPW: de dos a tres millones de galones (7 a 12 millones de litros) por día. Construir procesos que puedan purificar tanta agua con requisitos tan estrictos, mantenerla en esa pureza hasta que se necesite y reciclarla donde sea posible es un gran desafío.

La producción de UPW comienza con el tratamiento a granel del agua de alimentación sin tratar. Los pasos aquí incluyen procesos que aparecen en la mayoría de las plantas de tratamiento de aguas residuales municipales: la adición de compuestos floculantes y coagulantes para agrupar los sólidos en suspensión, la sedimentación para dejar que los grumos se asienten y la filtración a granel para eliminar el resto. Estos pasos sirven para eliminar los trozos más grandes y desagradables, en términos relativos; el agua de alimentación para la mayoría de las fábricas es agua municipal que estaría bien para el consumo humano y prepara el agua para los procesos que eliminarán secuencialmente los contaminantes más finos.

El siguiente paso suele ser una o dos etapas de ósmosis inversa u RO. Como sugiere su nombre, la ósmosis inversa es lo opuesto al proceso natural de ósmosis, que ocurre cuando existe un desequilibrio entre la concentración de dos solutos a través de una membrana semipermeable. El solvente tiende a migrar del lado con baja concentración de soluto al lado más concentrado, para equilibrar el desequilibrio. En RO, la presión osmótica se supera poniendo energía en el sistema con una bomba, que obliga al solvente (agua) a migrar a través de una membrana hacia el lado con menor concentración de soluto, dejando atrás los solutos. La membrana semipermeable está diseñada a partir de una capa de soporte de tela no tejida cubierta con capas de polímeros como polisulfona y poliamida, que forman una barrera a través de la cual puede pasar el agua, pero no los solutos más grandes.

La luz ultravioleta se utiliza en varias etapas de la producción de UPW. La luz ultravioleta de la longitud de onda correcta no solo mata las bacterias que quedan después de los pasos de pretratamiento, sino que también tiende a degradar los biopolímeros, como proteínas, ADN y ARN, en los restos bacterianos. Cuanto más se corten estas macromoléculas en esta etapa, más fácil será eliminarlas durante las etapas posteriores del procesamiento.

Para eliminar los contaminantes cargados eléctricamente del agua de proceso, se utiliza un tratamiento de intercambio iónico. El intercambio de iones utiliza perlas de resina de polímero especiales que tienen sitios de unión en sus superficies. Los sitios de unión tienen carga positiva (intercambiador de cationes) o carga negativa (intercambiador de aniones). Cuando el agua de proceso fluye sobre una tina de resina de intercambio iónico, los iones cargados que están en solución tienden a unirse a los sitios de la resina con la carga opuesta, eliminándolos efectivamente del agua de proceso.

A veces también se utiliza una variación del intercambio iónico, llamada electrodesionización (EDI). EDI básicamente combina el intercambio de iones con la ósmosis inversa y la electrólisis, utilizando una corriente eléctrica que pasa a través de múltiples lechos de resina separados por membranas semipermeables para eliminar los iones del agua de proceso.

Después de un paso final de desgasificación, el UPW finalmente es lo suficientemente puro para ingresar a los procesos de fabricación. ¿O es eso? Eso es difícil de saber, ya que el UPW que es lo suficientemente limpio para cumplir con los requisitos del proceso de fabricación es demasiado limpio para medirlo con cualquier tecnología actual. Eso pone a los ingenieros en una posición difícil, ya que a menudo la única forma confiable de saber si el proceso UPW es defectuoso es ver una disminución en el rendimiento de los chips y un análisis costoso y derrochador, por decir lo menos.

A pesar de ese hecho, existen algunos métodos de metrología que se emplean para monitorear el proceso UPW. La medida principal es la conductividad del agua, que se puede utilizar para juzgar la presencia de una serie de contaminantes. Por razones prácticas, el recíproco de la conductividad, la resistividad, generalmente se mide con una lectura de agua pura de 18,18 MΩ⋅cm a 25 °C. La resistividad puede ser exquisitamente sensible: la adición de sodio a solo 0,1 partes por mil millones reducirá la resistividad a 18,11 MΩ⋅cm, y tal caída puede indicar que un lecho de intercambio iónico aguas arriba necesita atención. Y como se mencionó anteriormente, las fugas de aire en el sistema pueden detectarse por el cambio de resistividad causado por la disolución del CO2 en el sistema.

Pero cuando se trata de medir partículas, no hay muchos métodos disponibles que puedan detectar partículas tan diluidas y diminutas como las que se requieren para la UPW de calidad fabulosa. Una tecnología que se acerca es la dispersión de luz dinámica (DLS), que hace rebotar luz láser polarizada en una muestra de agua. La luz dispersada pasa a través de otro polarizador en su camino hacia un detector, donde se toma una instantánea de la luz dispersada. El proceso se repite poco tiempo después, del orden de microsegundos a nanosegundos, y se comparan las imágenes. La diferencia entre las dos imágenes se puede atribuir al movimiento browniano de las partículas que se encuentran en la muestra y la interferencia constructiva o destructiva causada por los movimientos de las partículas. Esto da como resultado una medición del recuento de partículas y la distribución del tamaño, potencialmente hasta el rango de subnanómetros.

Hay mucho más en los sistemas UPW para fábricas, incluidos sistemas de reciclaje increíblemente complejos que toman el agua cargada de desechos después de que se usa en los procesos de fabricación y la recupera para su uso posterior. Y los estándares UPW también son un objetivo en movimiento. Los contaminantes que habrían pasado desapercibidos en los nodos de proceso más grandes del pasado ahora se consideran partículas asesinas para los nodos de 5 nm, por lo que es lógico que los estándares de UPW tengan que volverse aún más estrictos a medida que avanzan los nodos de proceso. Y los ingenieros tendrán que mantenerse al día, de alguna manera construyendo sistemas que puedan generar océanos de agua más pura de lo que se puede medir.