Die Vorbereitung von Bauteilen für nachfolgende Bearbeitungsschritte und die Sauberkeit der Produkte interessiert alle Fertigungsbetriebe. Gründliche Reinigung bedeutet für den einen Produkthersteller eine fettfreie Oberfläche. Ein anderer will nach der Reinigung keine Spuren von Mineralien auf dem Bauteil vorfinden, denn schon kleinste Ablagerungen könnten die Produkte unbrauchbar machen. Für alle Anwendungen gilt: das Reinigungsergebnis kann nur so gut sein, wie der letzte Spülgang.

Zur Bauteilereinigung reicht Leitungswasser oftmals nicht aus. Stattdessen wird entmineralisiertes Wasser benötigt. Es löst Verschmutzungen besser als Leitungswasser, in dem Salze und andere Stoffe gelöst sind. Die Konzentration der Salze wird durch die Messung der elektrischen Leitfähigkeit des Wassers festgestellt. Sie wird in Mikro-Siemens pro cm [μS/cm] angegeben. Durchschnittliches Leitungswasser besitzt etwa 700 μS/cm. Wasseraufbereitungssysteme können Salze aus dem Wasser entfernen und die Leitfähigkeit verringern. Der Anwender kann zwischen verschiedenen Verfahren entscheiden, die ihm unterschiedliche Wasserqualitäten liefern.

Verschiedene Wege ein Ziel

Bei der Umkehrosmose wird Wasser durch feinste Filtration entsalzt. Leitungswasser wird mit Druck durch eine semipermeable Membran geleitet, die die Salze zurückhält. Reines Wasser fließt durch sie hindurch. Es entsteht Wasser, das mit etwa 30 μS/cm ein Bruchteil der Leitfähigkeit des Ausgangswassers besitzt, aber vielen Anforderungen an die technische Sauberkeit noch nicht genügt. Deswegen dient die Umkehrosmose zumeist als Voraufbereitung für den Ionenaustausch, wenn ein großer Bedarf an vollentsalztem Wasser besteht und die Standzeit der Ionenaustauscher-Patrone dadurch verlängert werden soll.

Die Vollentsalzung (Deionisation) mittels Ionenaustauscher- Patronen entfernt die Ionen der im Wasser gelösten Salze. Kationen- und Anionentauscherharze werden mit Wasser durchströmt und binden die gelösten elektrisch geladenen Wasserinhaltsstoffe. Das Ergebnis ist mit etwa 0,1 μS/cm nochmals erheblich salzärmer als bei der Umkehrosmose. Eine 40-Liter-Patrone stellt durchschnittlich 5.000 Liter vollentsalztes Wasser aus Leitungswasser her. Die Harze können immer wieder regeneriert werden. Die Investitionskosten und die Anforderungen an das Handling sind verhältnismäßig gering. Voraussetzung ist ein

Dienstleister mit Vor-Ort-Service und belastbarer Chargendokumentation. Betriebskosten entstehen nur durch den Austauschservice der Patronen. Qualität hat ihren Preis. Dies gilt insbesondere für die Anschaffungs- und Betriebskosten der Reinigungsanlagen. Wer an der Vollentsalzung Geld einspart, kann später Qualitätseinbußen und größere Nachfolgekosten beklagen.

Wer braucht vollentsalztes Wasser?

Benötigte Wasserqualitäten unterscheiden sich je nach Produktanforderungen verschiedener Fertigungsunternehmen. Auch die Stückzahlen der erzeugten Produkte beeinflussen die benötigte Tagesmenge an Prozesswasser erheblich. Im Reinraum einer Hochschule werden Prototypen von Mikrosystemen gefertigt. Hier entstehen feinste Strukturen und elektronische Schaltungen im Mikrometermaßstab. Die Reinheitsanforderungen an Fertigung und Endreinigung sind hoch. Für die mikromechanischen bzw. mikroelektronischen Bauteile, für Analysen und Versuche wird vollentsalztes Wasser gefordert. Bereits kleinste mineralische Ablagerungen zwischen den Leiterbahnen der Produkte könnten zu Fehlfunktionen und Zerstörung der Bauteile führen. Ionentauscherpatronen liefern das benötigte Prozesswas ser mit einer Leitfähigkeit unter 0,1 μS/cm. Die Entsalzungsleistung der Ionentauscherpatronen lässt mit der Zeit nach.

Im Nullserienbetrieb werden aber reproduzierbare Ergebnisse benötigt. Dies wird durch den Einsatz zweier identischer Patronen erfüllt, die für gleichbleibende Wasserqualität sorgen. Immer mehr Ionen binden sich an die Harze der ersten Patrone. Wenn ein definierter Schwellenleitwert überschritten ist, wird auf die Zweitpatrone umgeschaltet. Die verbrauchte Patrone kann zeitnah ersetzt werden. Der Wasserverbrauch im Prototypen-Reinraum ist verhältnismäßig gering. Zusätzliche Wasseraufbereitungsmaßnahmen würden sich an dieser Stelle nicht rechnen. Für Labore mit hohem Wasserbedarf bietet sich eine kombinierte Wasseraufbereitungsanlage an. Die Umkehrosmose verbessert zunächst die Leitfähigkeit von Leitungswasser erheblich.

Der nachgeschaltete Ionentauscher bringt das Wasser auf Prozessqualität und hat daher eine deutlich längere Standzeit. In Reinraumlaboren, die besondere Hygieneanforderungen erfüllen müssen, folgt oftmals noch der Schritt der Wasserdesinfektion durch UV-C-Strahlung. Krankheitserreger wie Bakterien, Viren oder Algen, die durch das Wasser übertragen werden, sind für viele Prozesse ein großes Problem. Die UV-Technologie beseitigt diese Kontaminationen, die noch im Reinstwasser enthalten sein können ohne Zugabe von Chemikalien.

Höchste Sauberkeit, auch in der Serienfertigung

In der Halbleiterfertigung wird Reinraumumgebung vorausgesetzt, um die hochkomplexen Bauteile vor Verunreinigungen zu schützen und ihre Funktionsfähigkeit zu wahren. Trotz Reinraumumgebung gibt es immer noch zahlreiche Verunreinigungsquellen. Die hauptsächlichen Ursachen hierfür sind das Personal in der Fertigungslinie, die Umgebungsluft und Chemikalien, die im Prozess anfallen. Oft handelt es sich um mikroskopische Verunreinigungen wie Partikel, molekulare Kontaminationen durch Kohlenwasserstoffe aus den Pumpen oder um ionische Verschmutzungen z. B. durch Handschweiß.

Diese lagern sich an der Oberfläche der Siliziumwafer an und können in der Folge zahlreiche negative Auswirkungen auf die Produkte haben. So kann es zu Abschattungseffekte bei der Belichtung des Fotolacks auf den Siliziumscheiben kommen. Ebenfalls können beschleunigte Ionen bei Implantationsprozessen von der Scheibenoberfläche ferngehalten werden. Eingeschlossene Partikel lassen aufgebrachte Schichten an diesen Stellen aufplatzen.

Molekulare Verunreinigungen diffundieren in die Schichten ein. Die Haftung nachfolgender Schichten kann sich dadurch verschlechtern, ebenso wie ihre elektrischen Eigenschaften. Eine typische Reinigungsabfolge kann folgendermaßen aussehen. Die Wafer werden zunächst im Ultraschallbad, einer Lösung aus Wasser und Ultraschallreinigungs- und Netzmitteln gereinigt und so Partikel von der Oberfläche entfernt. Metalle und molekulare Verunreinigungen werden durch das Reinigungsmittel teilweise gebunden. Anschließend entfernen Aceton oder Ethanol organische Verunreinigungen wie Fett oder Öl. Hierbei bleiben Kohlenstoffrückstände auf der Oberfläche zurück. Mit vollentsalztem Wasser werden schließlich noch ionische Verunreinigungen weggespült und unter Stickstoffatmosphäre in einer Trockenschleuder getrocknet.

Die Wafer werden nach jedem Prozessschritt in Reinstwasser gespült. Daher benötigt die Halbleiterfertigung eine sehr große Menge an Reinstwasser, das fast keine Verunreinigungen mehr aufweisen darf. Vollentsalztes Wasser, je nach Produkt und Einsatzgebiet auch UV-desinfiziertes Wasser, ist bei diesen Prozessen unumgänglich.

Viel hilft viel!?

Die Reinigungsqualitäten und die benötigten Wassermengen variieren je nach Produkt und Branche stark. Dennoch empfiehlt sich für alle Anwender mit Reinigungswasserbedarf die Prüfung einer Investition in die Wasseraufbereitung. Wartungsintervalle für Reinigungsbäder können vergrößert, Reinigungszusätze eingespart werden. Bessere Reinigungsergebnisse führen zu höherer Qualität der Produkte. Prävention erspart Nacharbeit.

Autor
Dr. Steffen Orben, Geschäftsführender Gesellschafter
Orben Wasseraufbereitung

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