Grande Química: Água Ultrapura

May 10, 2023

Meu primeiro emprego após a pós-graduação foi em uma empresa de biotecnologia em Cambridge, Massachusetts. Era uma equipe pequena e todos tinham um "trabalho de laboratório", além de qualquer ciência para a qual fossem contratados - uma tarefa para manter as áreas comuns do laboratório. Meu trabalho era manter os sistemas de purificação de água que garantiam que todos tivessem um amplo suprimento de água pura e deionizada para trabalhar. O trabalho consistia principalmente na troca dos cartuchos filtrantes e de troca iônica das unidades de polimento final, que limpavam a água da torneira o suficiente para a ciência.

Quando eu trocava os pacotes de filtros, sempre ficava surpreso e revoltado com as camadas de lodo e sedimentos neles. Um vislumbre pela janela nas margens do rio Charles - amo aquela água suja - foi o suficiente para explicar o que eu estava vendo, e foi uma lição de quantas outras coisas estão misturadas com a água que você bebe e cozinha e tomar banho.

Embora nós, humanos, geralmente possamos nos sair muito bem com água classificada apenas como razoavelmente pura, nossos processos industriais são outra coisa. Tudo, desde usinas de energia até instalações de fabricação farmacêutica, precisa de água de pureza muito, muito maior, mas nada requer água mais pura do que as operações especializadas em escala nanométrica de uma fábrica de semicondutores. Mas como a água comum da torneira é transformada em um produto químico de tal pureza que os contaminantes são medidos em partes por trilhão? E como as fabs produzem água ultrapura suficiente para atender às suas necessidades? Com uma grande química.

Embora os padrões variem de acordo com a indústria, em geral o nível de pureza alcançado pela água ultrapura (UPW) é quase inacreditável e sofre em comparação com algo como água potável. Mesmo a água potável mais pura é realmente uma mistura complexa de minerais e gases dissolvidos na água, com um bom número de partículas suspensas nela também. Como exemplo de como o UPW é diferente da água potável, a Agência de Proteção Ambiental dos EUA define o limite de cromo na água potável em apenas 0,1 partes por milhão. Mas para UPW de grau semicondutor, o limite é de 2 partes por trilhão - 50.000 vezes menos!

Quando você pensa nas escalas envolvidas na fabricação de semicondutores, os rígidos padrões UPW fazem todo o sentido. O tamanho das características gravadas em wafers de silício varia de acordo com o nó do processo, mas os processos atuais podem ser facilmente eliminados por uma partícula de apenas alguns nanômetros de diâmetro. Para escala, uma partícula de coronavírus é da ordem de 100 nm. O controle de partículas em UPW pode ser complicado, principalmente porque as partículas podem vir de qualquer lugar na tubulação, tanques, bombas e cubas de produtos químicos usados ​​no processo de purificação.

Partículas não são os únicos contaminantes que precisam ser tratados. Embora as superfícies lisas e limpas do equipamento UPW de uma fábrica fabulosa possam parecer um lugar ruim para a vida florescer, as bactérias têm uma capacidade comprovada de colonizar até mesmo os nichos ecológicos mais improváveis. Os biofilmes podem representar um grande problema para os sistemas UPW e podem se formar em qualquer lugar onde a água possa se acumular. Os biofilmes podem contribuir tanto para a contaminação por partículas quanto para o carbono oxidável total (TOC, também conhecido como carbono orgânico total), que é essencialmente os restos de bactérias mortas.

Além de particulados e TOC, os outros principais contribuintes para a contaminação UPW tendem a ser substâncias solúveis em água, como minerais e gases. O sódio é uma grande preocupação, principalmente porque tende a ser um indicador importante de problemas em resinas de troca iônica usadas para processar UPW - mais sobre isso abaixo. Os silicatos também são uma preocupação, assim como os gases dissolvidos - o oxigênio é altamente reativo e pode facilmente oxidar as camadas de metal necessárias para construir um chip, e o dióxido de carbono dissocia-se facilmente na água para formar ácido carbônico, o que aumenta a condutividade da água e é prejudicial aos processos de wafer.

Resumindo, a água que será usada para construir os chips precisa estar o mais próximo possível de "apenas água". Obtê-lo dessa maneira, porém, requer uma quantidade notável de esforço. E não é apenas a pureza - é o volume também. Uma fábrica de semicondutores usa uma quantidade impressionante de UPW - dois a três milhões de galões (7 a 12 milhões de litros) por dia. Construir processos que possam purificar tanta água de acordo com requisitos tão rigorosos, mantê-la com essa pureza até que seja necessária e reciclá-la sempre que possível é um grande desafio.