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水質(zhì)與氣體分析
專注微量溶解氧測量

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超純水應(yīng)用中的氣體測量及溶解氧的重要性


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重點關(guān)注

超純水中溶解氧對半導(dǎo)體制造的重要性



什么是超純水?

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對于超純水沒有一個固定的定義,因為超純水的要求是由最終使用者的應(yīng)用要求決定的。然而對任意一個最終用戶來說,一些要求是非常重要的,包括檢測和控制細(xì)菌擴(kuò)散,微粒子污染,有機(jī)感染(典型的是總有機(jī)碳測量),金屬和陰離子感染。
這些不同的感染物取決于生產(chǎn)超純水的水的質(zhì)量和傳送水的管道材料。超純水中的溶解氧可以供微生物的生長和擴(kuò)散。因此為最大限度的降低超純水有機(jī)生物感染的概率,除去水中的溶解氧就很有必要了。



超純水應(yīng)用領(lǐng)域

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半導(dǎo)體工業(yè)      制藥工業(yè)

生物科技         實驗室   


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應(yīng)用

Application



在超純水應(yīng)用中需要測量什么氣體?

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1、溶解氧;2、溶解臭氧;3、溶解氫和氮;



在超純水應(yīng)用中為什么要測量溶解氧和溶解臭氧?

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1、 減少超純水中的有機(jī)感染物。

2、 增加半導(dǎo)體的產(chǎn)出。

3、 在臭氧化過程之后,由于臭氧是應(yīng)用中的不想要的感染物,所以必須被保持在一定濃度以下。


關(guān)于水中的溶解氣體:

無論何時氣體接觸到液體,都會試著溶解進(jìn)液體,氣體的溶解量與氣體與液體的差壓成線性關(guān)系。當(dāng)環(huán)境中的氣體接觸到水氣體便趨于溶解進(jìn)液體。
大氣由約占79%的氮氣和21%的氧氣,和其他微量氣體組成,誰暴露在大氣中將包含這些氣體。
在1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,25°C水中通常含有8.5 ppm溶解氧和14.5 ppm的溶解氮。



超純水在制藥工業(yè)中的應(yīng)用

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在制藥工業(yè)中,超純水在生產(chǎn)過程中被用作產(chǎn)品的一個部分。微生物,病原體,生物膜和孢子非常有害,因此必須要消除。為降低擴(kuò)散風(fēng)險,在生產(chǎn)過程中和制藥車間的清潔中,超純水被用于殺菌和注射。超純水需要除去水中的微量氧,為確保氧濃度降低到一個可以接受的限度,就需要高精度的測量設(shè)備。



超純水在半導(dǎo)體工業(yè)中的應(yīng)用

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在半導(dǎo)體工業(yè)中,超純水被應(yīng)用于化學(xué)處理過程的化學(xué)沖洗的很多生產(chǎn)步驟。在生產(chǎn)過程中,為消除感染物,準(zhǔn)備生產(chǎn)處理所需要的表面,晶片通常需要被充分的清洗。取決于產(chǎn)品類型的不同,這些水處理過程可以被看做整個生產(chǎn)處理過程步驟的三分之一。一個典型的晶片廠每個月生產(chǎn)4萬個晶片,每天用掉7到11百萬立方的水,其中70%是超純水。

超純水的應(yīng)用如此關(guān)鍵是因為以下幾個原因:

- 感染性微生物會在半導(dǎo)體表面造成一個不利的電路,造成短路并形成不能使用的芯片。

- 有機(jī)物體留下的微粒會影響生產(chǎn)過程和芯片的質(zhì)量。

- 過高的溶解氧會潛在的改變已控制的氧化面厚度,進(jìn)而改變集成電路的電流特性。


晶體熱氧化中溶解氧的影響:


半導(dǎo)體生產(chǎn)其中一步是熱氧化。在這一步驟中,晶片被高純化學(xué)物提前清洗,然后加熱放在擴(kuò)散爐超純氧中:會在表面形成一定厚度的氧化膜,這層氧化膜非常重要,以便確保半導(dǎo)體根據(jù)需要的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行電流傳送的能力。
當(dāng)放入水中,溶解氧使得晶片的氧化膜厚度增加,因此必須把溶解氧濃度降低到一定范圍。
當(dāng)芯片晶體管密度增加,晶體管間寬度減少,水質(zhì)要求就變得尤其重要。常規(guī)的微型芯片被裝進(jìn)越來越小的設(shè)備中,給生產(chǎn)商帶來了越來越多的挑戰(zhàn),包括提供關(guān)鍵的超純水。過去幾年里,工業(yè)技術(shù)的發(fā)展速度如此之快,純凈要求也不斷的重新修訂以盡量減少產(chǎn)后問題。因此發(fā)展趨勢是減少超純水中的有機(jī)和無機(jī)感染物,保持溶解氧濃度范圍在0.1-1.0 ppb。


在半導(dǎo)體工業(yè)中典型的超純水處理系統(tǒng)設(shè)計遵循以下步驟(如下圖1):

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超純水中氧氣測量

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超純水的生產(chǎn)過程包括化學(xué)衛(wèi)生處理(通常在制藥工業(yè)中),超純過濾(在半導(dǎo)體工業(yè)中居多),管道系統(tǒng)設(shè)計臭氧化和最優(yōu)化。
典型地,根據(jù)需要的超純水質(zhì)不同,城市用水需要一系列凈化處理步驟,包括大顆粒過濾,碳過濾,水軟化,反透析,紫外線照射,增澤和最后超純過濾。一些系統(tǒng)用彎曲環(huán)把水回流進(jìn)儲藏位置,以供不斷循環(huán),然而其他一些從超純水生產(chǎn)到使用都采用無回路系統(tǒng)。
傳統(tǒng)的超純水中除氧方法是用一個真空除氣器(圖1)。原理是用一個真空泵抽出水里面的氣體。傳感器就是在這時用來測溶解氧濃度,驗證這一步的有效性。
在除氣之前,通常溶解氧濃度在1個ppm以下,20ppb左右或更低。經(jīng)過脫氣去離子后,超純水就需要準(zhǔn)備好了。傳感器需要在這一步測量,以便證實溶解氧濃度足夠低。(1ppb或更低)



超純水中臭氧測量

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臭氧是一種超強(qiáng)氧化氣體,用于殺菌和純凈超純水,消除微生物感染。在半導(dǎo)體工業(yè)和制藥行業(yè)中,臭氧化在超純水生產(chǎn)過程中被越來越廣泛的應(yīng)用,當(dāng)應(yīng)用在半導(dǎo)體工業(yè)的時候,臭氧化通常在超純水存儲之前進(jìn)行。

半導(dǎo)體工業(yè)中的典型臭氧化過程(如下圖2)

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用一個臭氧機(jī)把氧轉(zhuǎn)換成臭氧。然后臭氧會接觸并溶于水。通常濃度在5到50個ppb不等。然后需要被從水中除去。當(dāng)凈化完成后,紫外線被用來消除臭氧。由于臭氧在幾分鐘便可還原成氧并因此增加氧濃度,所以在這一環(huán)節(jié)剩余臭氧濃度越低越好。



超純水中氮氣和氫氣測量

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在超純水生產(chǎn)過程中,氫氣被用來中和溶解氧。因此需要在生產(chǎn)過程中測氫。
通常水中含有溶解氮氣。氮氣有時候需要被測量,因為在一些工業(yè)應(yīng)用中氮氣會是不需要的感染物。


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