Big Chemistry: eau ultra pure

Sep 20, 2023

Mon premier emploi après mes études supérieures était dans une entreprise de biotechnologie à Cambridge, dans le Massachusetts. C’était une petite équipe, et tout le monde avait un « travail de laboratoire » en plus de la science pour laquelle ils avaient été embauchés – une tâche pour entretenir les espaces communs du laboratoire. Mon travail consistait à entretenir les systèmes de purification de l’eau qui assuraient que tout le monde disposait d’un approvisionnement suffisant en eau pure et désionisée pour travailler. Le travail consistait principalement à changer le filtre et les cartouches échangeuses d’ions des unités de polissage finales, ce qui nettoyait suffisamment l’eau du robinet pour la science.

Quand je changeais les packs filtrants, j’étais toujours étonné et révolté par les couches de boue et de sédiments qu’ils contenaient. Un coup d’œil par la fenêtre sur les rives de la rivière Charles – j’adore cette eau sale – était suffisant pour expliquer ce que je voyais, et c’était une leçon sur la quantité d’autres choses mélangées à l’eau que vous buvez, cuisinez avec et dans laquelle vous vous baignez.

Alors que nous, les humains, pouvons généralement nous débrouiller assez bien avec une eau qui n’est raisonnablement pure, nos processus industriels sont une autre chose. Tout, des centrales électriques aux installations de fabrication pharmaceutique, a besoin d’une eau d’une pureté beaucoup, beaucoup plus élevée, mais rien n’a besoin d’une eau plus pure que les opérations spécialisées à l’échelle nanométrique d’une usine de semi-conducteurs. Mais comment l’eau du robinet ordinaire se transforme-t-elle en un produit chimique d’une telle pureté que les contaminants sont mesurés en parties par billion ? Et comment les usines produisent-elles suffisamment de cette eau ultrapure pour répondre à leurs besoins? Avec une grosse chimie.

Bien que les normes varient selon l’industrie, en général, le niveau de pureté atteint par l’eau ultrapure (UPW) est presque incroyable, et souffre par rapport à quelque chose comme l’eau potable. Même l’eau potable la plus pure est vraiment un mélange complexe de minéraux et de gaz dissous dans l’eau, avec un bon nombre de particules en suspension. À titre d’exemple de la différence entre l’UPW et l’eau potable, l’Agence américaine de protection de l’environnement fixe la limite de chrome dans l’eau potable à seulement 0,1 partie par million. Mais pour l’UPW de qualité semi-conducteur, la limite est de 2 parties par billion – 50 000 fois moins!

Lorsque vous pensez aux échelles impliquées dans la fabrication de semi-conducteurs, les normes UPW strictes sont parfaitement logiques. La taille des caractéristiques gravées sur des plaquettes de silicium varie selon le nœud de processus, mais les processus actuels peuvent facilement être tués par une particule de quelques nanomètres de diamètre seulement. Pour l’échelle, une particule de coronavirus est de l’ordre de 100 nm. Le contrôle des particules dans l’UPW peut être contrariant, principalement parce que les particules peuvent provenir d’à peu près n’importe où dans la tuyauterie, les réservoirs, les pompes et les cuves des produits chimiques utilisés dans le processus de purification.

Les particules ne sont pas les seuls contaminants qui doivent être traités. Alors que les surfaces lisses et propres de l’équipement UPW d’une usine de fabrication peuvent sembler un endroit pauvre pour que la vie s’épanouisse, les bactéries ont une capacité prouvée à coloniser même les niches écologiques les plus improbables. Les biofilms peuvent présenter un énorme problème pour les systèmes UPW, et ils peuvent se former partout où l’eau est autorisée à s’accumuler. Les biofilms peuvent contribuer à la fois à la contamination par les particules et au carbone oxydable total (COT, alias carbone organique total), qui est essentiellement les restes de bactéries mortes.

Outre les particules et le COT, les autres principaux contributeurs à la contamination par l’UPW ont tendance à être les substances solubles dans l’eau, comme les minéraux et les gaz. Le sodium est une grande préoccupation, principalement parce qu’il a tendance à être un indicateur avancé de problèmes dans les résines échangeuses d’ions utilisées pour traiter l’UPW – plus à ce sujet ci-dessous. Les silicates sont également une préoccupation, tout comme les gaz dissous – l’oxygène est très réactif et peut facilement oxyder les couches métalliques nécessaires à la construction d’une puce, et le dioxyde de carbone se dissocie facilement dans l’eau pour former de l’acide carbonique, ce qui augmente la conductivité de l’eau et nuit aux processus de plaquettes.

En un mot, l’eau qui va être utilisée pour construire des copeaux doit être aussi proche que possible de « juste de l’eau ». L’obtenir de cette façon, cependant, nécessite une quantité remarquable d’efforts. Et ce n’est pas seulement la pureté, c’est aussi le volume. Une usine de semi-conducteurs utilise une quantité ahurissante d’UPW – deux à trois millions de gallons (7 à 12 millions de litres) par jour. Construire des processus capables de purifier autant d’eau selon des exigences aussi strictes, de la maintenir à cette pureté jusqu’à ce qu’elle soit nécessaire et de la recycler dans la mesure du possible est un énorme défi.

La production d’UPW commence par le traitement en vrac de l’eau d’alimentation brute. Les étapes comprennent les processus qui apparaissent dans la plupart des usines municipales de traitement des eaux usées – l’ajout de floculants et de composés coagulants pour agglutiner les solides en suspension, la sédimentation pour laisser les amas se déposer et la filtration en vrac pour éliminer le reste. Ces étapes servent à éliminer les morceaux les plus gros et les plus méchants - relativement parlant; L’eau d’alimentation pour la plupart des usines est de l’eau municipale qui serait bonne pour la consommation humaine – et préparer l’eau pour les processus qui élimineront séquentiellement les contaminants plus fins.

L’étape suivante est généralement une ou deux étapes de l’osmose inverse, ou OI. Comme son nom l’indique, l’osmose inverse est le contraire du processus naturel de l’osmose, qui se produit lorsqu’il existe un déséquilibre entre la concentration de deux solutés sur une membrane semi-perméable. Le solvant a tendance à migrer du côté à faible concentration de soluté vers le côté plus concentré, pour équilibrer le déséquilibre. Dans l’osmose inverse, la pression osmotique est surmontée en mettant de l’énergie dans le système avec une pompe, ce qui force le solvant (eau) à migrer à travers une membrane sur le côté avec une concentration de soluté plus faible, laissant les solutés derrière. La membrane semi-perméable est conçue à partir d’une couche de support de tissu non tissé surmontée de couches de polymères tels que le polysulfone et le polyamide, qui forment une barrière à travers laquelle l’eau peut passer, mais pas les gros solutés.

La lumière ultraviolette est utilisée à plusieurs étapes de la production UPW. Les UV de la bonne longueur d’onde tuent non seulement toutes les bactéries laissées après les étapes de prétraitement, mais ont également tendance à dégrader les biopolymères, comme les protéines, l’ADN et l’ARN, dans les restes bactériens. Plus ces macromolécules sont hachées à ce stade, plus elles seront faciles à éliminer au cours des étapes ultérieures du traitement.

Afin d’éliminer les contaminants chargés électriquement de l’eau de procédé, un traitement par échange d’ions est utilisé. L’échange d’ions utilise des billes de résine polymère spéciales qui ont des sites de liaison sur leurs surfaces. Les sites de liaison sont soit chargés positivement (échangeur de cations), soit chargés négativement (échangeur d’anions). Lorsque l’eau de procédé s’écoule sur une cuve de résine échangeuse d’ions, les ions chargés qui sont en solution ont tendance à se lier aux sites de la résine avec la charge opposée, les nettoyant efficacement de l’eau de traitement.

Une variante de l’échange d’ions, appelée électrodésionisation (EDI), est parfois utilisée. L’EDI combine essentiellement l’échange d’ions avec l’osmose inverse et l’électrolyse, en utilisant un courant électrique traversant plusieurs lits de résine séparés par des membranes semi-perméables pour éliminer les ions de l’eau de traitement.

Après une dernière étape de dégazage, l’UPW est enfin assez pur pour entrer dans les procédés de fabrication. Ou est-ce le cas? C’est difficile à savoir, car l’UPW qui est suffisamment propre pour répondre aux exigences du processus de fabrication est trop propre pour être mesuré avec n’importe quelle technologie actuelle. Cela met les ingénieurs dans une position difficile, car souvent le seul moyen fiable de savoir si le processus UPW est défectueux est de constater une diminution des rendements des puces, et des essais coûteux et inutiles, c’est le moins qu’on puisse dire.

Malgré cela, certaines méthodes de métrologie sont utilisées pour surveiller le processus UPW. La mesure principale est la conductivité de l’eau, qui peut être utilisée pour juger de la présence d’un certain nombre de contaminants. Pour des raisons pratiques, l’inverse de la conductivité, la résistivité, est généralement mesurée, avec une lecture d’eau pure 18,18 MΩ⋅cm à 25°C. La résistivité peut être extrêmement sensible – l’ajout de sodium à seulement 0,1 partie par milliard fera chuter la résistivité à 18,11 MΩ⋅cm, et une telle baisse peut indiquer qu’un lit échangeur d’ions en amont a besoin d’attention. Et comme mentionné précédemment, les fuites d’air dans le système peuvent être détectées par le changement de résistivité causé par la dissolution du CO2 dans le système.

Mais quand il s’agit de mesurer les particules, il n’y a pas beaucoup de méthodes disponibles qui peuvent détecter des particules diluées et minuscules qui sont nécessaires pour l’UPW de qualité fab. Une technologie qui s’en rapproche est la diffusion dynamique de la lumière (DLS), qui fait rebondir la lumière laser polarisée sur un échantillon d’eau. La lumière diffusée passe à travers un autre polariseur en direction d’un détecteur, où un instantané de la lumière diffusée est pris. Le processus est répété peu de temps après, de l’ordre de la microseconde à la nanoseconde, et les images sont comparées. La différence entre les deux images peut être attribuée au mouvement brownien des particules présentes dans l’échantillon et à l’interférence constructive ou destructrice causée par les mouvements des particules. Il en résulte une mesure du nombre de particules et de la distribution granulométrique, potentiellement dans la gamme inférieure au nanomètre.

Il y a beaucoup plus dans les systèmes UPW pour les fabs, y compris des systèmes de recyclage incroyablement complexes qui prennent l’eau chargée de déchets après son utilisation dans les processus de fabrication et la récupèrent pour une utilisation ultérieure. Et les normes UPW sont également une cible mouvante. Les contaminants qui seraient passés inaperçus dans les grands nœuds de processus du passé sont maintenant considérés comme des particules tueuses pour les nœuds de 5 nm, il va donc de soi que les normes UPW devront devenir encore plus strictes à mesure que les nœuds de processus progressent. Et les ingénieurs devront suivre, en construisant des systèmes capables de produire des océans d’eau plus purs que ce qui peut être mesuré.