Ультрачистая вода

  • многоступенчатая очистка
  • содержание ионов металлов 50-100 частей на триллион (ppt)
  • содержание кислорода, кремния и органики 5-10 частей на миллиард (ppb)
  • выходная фильтрация частиц размером менее 20нм
  • чистая петля из PTFE (тефлон)
    Очень редко обычная водопроводная вода, которая течет из крана, удовлетворяет всем предъявляемым к ней требованиям. Так, например, содержание кальция или уровень жесткости может превышать допустимые значения в два-три раза. Широко известным решением подобных проблем является установка фильтров предварительной очистки. И в ряде случаев этого оказывается достаточно.
    Однако для микроэлектронного и тем более производства наноэлектроники, требования к воде гораздо более жесткие.

В данном случае, они уже не ограничивается достаточно привычными параметрами, такими как температура, уровень pH, жесткость и содержание солей, а включают в себя также давление, удельное сопротивление, общее содержание органики, растворенную кремнекислоту, растворенный кислород, твердые частицы, бактерии, содержание аммония, алюминия, бора, бария, кальция, хрома, меди, железа, калия, лития, магния, марганца, натрия, никеля, ртути, стронция, цинка, бромидов, хлоридов, фторидов, нитритов, нитратов, фосфатов. Более того, по каждому из вышеперечисленных параметров допустимые значения лежат в области значений 1/миллиард или 1/триллион. Так, например, содержание кальция в водопроводной воде может превышать допустимые значения в миллиарды раз! Становится очевидным, что использование простых фильтров предварительной очистки в данном случае оказывается просто невозможным.

  • 1. Предварительная обработка
  • 2. Подготовка первой ступени
  • 3. Предварительная обработка
  • 4. Финишная обработка




    Данные требования предъявляются неспроста. Как известно, микро и наноразмерные функциональные устройства изготавливают из кремниевых или других (например, стеклянных или из сапфира) пластин путем проведения последовательности технологических операций. Более половины данных операций включают в себя процессы химической модификации или обработки поверхности материала, а также процессы отмывки. Во всех этих случаях требуется ультрачистая вода, не содержащая нерастворимых частиц, ионов и прочих инородных включений. В противном случае попадание на устройство таких частиц, размеры которых могут варьироваться от сотен нанометров до десятков микрон, может привести к полной его неработоспособности.

    Именно поэтому, при проектировании технологического центра «Функциональные микро/наносистемы» процессу предварительной очистки воды было уделено особое внимание. Совместно с ведущим немецким производителем систем обеспечения ультрачистой воды был проведен анализ водопроводной воды, поступающей в здание, рассчитана нагрузка и потребление воды на всех технологических участках и спроектирован мини завод по обеспечению многоступенчатой фильтрации и рециркуляции воды. Данная система представляет собой пятиступенчатый замкнутый контур последовательной циркуляции и очистки воды, который занимает отдельное помещение и работает 24 часа в сутки 7 дней в неделю. Любая кратковременная остановка циркуляции воды в ультрачистом контуре может негативно сказаться на таких параметрах воды как уровень pH и проводимость, однако благодаря заложенной гибкости системы, после непродолжительных остановов системы она снова выйдет на заданный режим в течение нескольких минут. В случае же более продолжительной остановки, от нескольких часов и более, возможны необратимые последствия, такие как образование бактерий и частиц, что приведет к необходимости полной остановки системы и проведения ее дезинфекции и очистки. Именно поэтому, крайне важным является обеспечение бесперебойной работы системы водоподготовки, чему в НОЦ ФМН было уделено особое внимание.

    Среди основных требований к системе можно выделить:
  • производительность: 1,2 м³/ч (20 л/мин),
  • давление: 5 +/-1 бар,
  • температура: 22 +/-1 °C,
  • удельное сопротивление: 18,2 MОм·см,
  • общее содержание органики: 5 ppb (частей на миллиард),
  • растворенная кремнекислота: 3 ppb,
  • растворенный кислород: 25 ppb,
  • твердые частицы:
      • размером 0,1-0,2 мкм – не более 1000 частиц/л,
      • размером 0,2-0,5 мкм – не более 500 частиц/л,
      • размером 0,5-1 мкм – не более 50 частиц/л,
  • различные требования к содержанию широкого спектра материалов (аммония, алюминия, бора, бария, кальция, хрома, меди, железа, калия, лития, магния, марганца, натрия, никеля, ртути, стронция, цинка, бромидов, хлоридов, фторидов, нитритов, нитратов, фосфатов).

    Система подготовки сверхчистой воды (СЧВ) включает в себя следующие технологические ступени очистки, которые описаны более подробно ниже:  
  • предварительная обработка,
  • подготовка первой ступени и мембранная дегазация,
  • подготовка второй ступени,
  • финишная обработка,
  • распределительная петля (распределение сверхчистой водой).

    Предварительная обработка служит для обработки воды с таким расчетом, чтобы улучшить ее качество до уровня, необходимого для ее очистки на последующих стадиях. При фильтровании воды через многослойный фильтр загрязняющие вещества и органические соединений задерживаются в фильтрующем слое. Отфильтрованная вода подаётся в бак фильтрата на хранение перед ее подачей на последующие технологические ступени очистки.



   
На этапе подготовки первой ступени с помощью насоса фильтрата производится подача отфильтрованной воды из бака фильтрата на установку обратного осмоса первой ступени. Обратный осмос снижает солесодержание примерно от 3 до 5% от исходного значения. Кроме того, при обработке воды на установке обратного осмоса происходит также снижение содержания TOC (общего содержания органики), так как часть веществ, образующих TOC, не может пройти через обратноосмотическую мембрану.



    На этапе подготовки второй ступени в установке мембранной дегазации происходит удаление из воды растворенного кислорода и углекислого газа. После мембранного дегазатора и дозирования щелочи вода поступает на установку обратного осмоса второй ступени через высоконапорный насос.  Процесс очистки воды на установке обратного осмоса второй ступени протекает так же, как и при использовании обратного осмоса первой ступени, за исключением того, что на вход второй ступени поступает вода, очищенная ранее более, чем в 50 раз по основному набору примесей и солей.


    Электродеионизация (ЭДИ) является электромембранным процессом очистки воды и сочетает в себе свойства ионообменных смол и ионоселективных (ионообменных) мембран, при этом процесс деионизации воды протекает постоянно без применения реагентов для регенерации смол. 

    Для необходимого постоянного качества воды обе ступени очистки (первая и вторая) должны работать непрерывно с постоянным расходом. Чистая вода, не используемая на последующей ступени очистки (финишная обработка), возвращается обратно в бак фильтрата. Сочетание процессов обратного осмоса и электродеионизации, обеспечивает получение воды требуемого качества.

    На финишной ступени обработки производится доведение качества воды до требуемых показателей



    Распределительная петля предназначена для снабжения потребителей сверхчистой водой и состоит из систем доочистки от частиц размером более 20нм, PVDF-трубопроводов (тефлон), управления температурой и мембранных клапанов. Насос сверхчистой воды подаёт сверхчистую воду через установку финишной обработки на распределительное устройство подачи с постоянным количеством. Для соблюдения требуемого качества сверхчистой воды, необходимо, чтобы она постоянно циркулировала в распределительной петле.
Последние события ФМН