超純水

超純水( UPW )、高純度水、または高度に精製された水( HPW ) は、非常に厳格な仕様に従って精製された水です。超純水は、有機化合物と無機化合物、溶解物質と粒子状物質、揮発性物質と非揮発性物質、反応性物質と不活性物質、親水性物質と疎水性物質、溶解ガスなど、あらゆる種類の汚染物質に対して最高レベルの純度で処理された水であることを強調するために、製造業でよく使用される用語です。

UPW と、一般的に使用される脱イオン水 (DI)という用語は同じではありません。UPW では有機粒子と溶解ガスが除去されるという事実に加えて、一般的な UPW システムには、精製水を生成するための前処理段階、水をさらに精製するための一次段階、および処理プロセスの中で最もコストのかかる部分である研磨段階の 3 つの段階があります。^[A]

多数の組織やグループが、UPW の製造に関連する規格を開発し、発行しています。マイクロエレクトロニクスと電力に関しては、国際半導体製造装置材料協会( SEMI ) (マイクロエレクトロニクスと太陽光発電)、米国材料試験協会(ASTM International) (半導体、電力 )、電力研究所(EPRI) (電力 )、米国機械学会(ASME) (電力 )、および国際水と蒸気の特性に関する協会(IAPWS) (電力 ) が含まれます。製薬工場は、米国薬局方、欧州薬局方、および日本薬局方などの薬局方によって開発された水質基準に従います。

UPWの品質に関する最も広く使用されている要件は、ASTM D5127「エレクトロニクスおよび半導体産業で使用される超純水の標準ガイド」^{[1]およびSEMI F63「半導体処理で使用される超純水のガイド」 [2]}に文書化されています。

細菌、粒子、有機および無機の汚染源は、UPW を作るための供給水や、それを運ぶために使用する配管材料の選択など、多くの要因によって異なります。細菌は通常、UPW の体積あたりのコロニー形成単位 ( CFU ) で報告されます。粒子は UPW の体積あたりの数を使用します。全有機炭素(TOC)、金属汚染物質、および陰イオン汚染物質は、ppm、ppb、ppt、ppq などの無次元の部数で測定されます。 ^{[引用が必要]}

このリストの中で最も制御が難しいものとして細菌が挙げられます。^[3] UPWストリーム内の細菌コロニーの成長を最小限に抑える技術には、時折の化学薬品または蒸気による消毒（製薬業界では一般的）、限外濾過（一部の製薬業界で使用されていますが、ほとんどは半導体業界で使用されています）、オゾン処理、および最小流量に対するレイノルズ数基準の使用を促進する配管システム設計の最適化、^[4]とデッドレッグの最小化などがあります。最新の高度なUPWシステムでは、新しく建設された施設で陽性（ゼロより高い）細菌数が一般的に見られます。この問題は、オゾンまたは過酸化水素を使用した消毒によって効果的に対処できます。研磨および分配システムを適切に設計すると、UPWシステムのライフサイクル全体を通じて陽性細菌数が検出されることは通常ありません。

UPW 内の粒子は半導体産業の悩みの種であり、ナノメートル サイズの特徴を定義する繊細なフォトリソグラフィープロセスで欠陥を引き起こします。他の産業では、その影響は迷惑なものから生命を脅かす欠陥まで多岐にわたります。粒子は、ろ過と限外ろ過によって制御できます。粒子の発生源には、細菌の破片、導管の湿った流れ内のコンポーネント壁の剥離、配管システムの構築に使用される接合プロセスの清潔さなどがあります。

超純水中の全有機炭素は、栄養素を提供することで細菌の増殖に寄与し、敏感な熱処理で別の化学種の炭化物として代替し、バイオプロセスにおける生化学反応と望ましくない方法で反応し、ひどい場合には製造部品に望ましくない残留物を残す可能性があります。TOC は、UPW の製造に使用される供給水、UPW の搬送に使用されるコンポーネント (製造配管製品の添加剤、押し出し助剤、離型剤)、配管システムのその後の製造および洗浄操作、または汚れたパイプ、継手、バルブから発生する可能性があります。

UPW システム内の金属および陰イオン汚染は、バイオプロセスにおける酵素プロセスを停止させ、発電産業における機器を腐食させ、半導体チップおよび太陽電池の電子部品の短期的ま​​たは長期的な故障を引き起こす可能性があります。その発生源は TOC の場合と同様です。必要な純度レベルに応じて、これらの汚染物質の検出は、単純な導電率 (電解)の読み取りから、イオンクロマトグラフィー(IC)、原子吸光分光法(AA)、誘導結合プラズマ質量分析法(ICP-MS)などの高度な機器まで多岐にわたります。

超純水は、さまざまなユーザーの品質基準を満たすために複数の段階を経て処理されます。

UPW を使用する主な産業は次のとおりです。

• 半導体デバイス製造プロセス
• 太陽光発電
• 医薬品
• 発電（亜臨界および超臨界ボイラー）
• 研究室などの特殊な用途。

「超純水」という用語は、これらの産業で使用される水の特定の品質を表すために、1970 年代後半から 1980 年代前半にかけてよく使われるようになりました。

各業界では「超純水」と呼ばれるものを使用していますが、品質基準はさまざまです。つまり、製薬工場で使用される超純水は、半導体工場や発電所で使用されるものとは異なります。基準は用途によって異なります。たとえば、半導体工場では超純水を洗浄剤として使用するため、沈殿する可能性のある溶解汚染物質や、回路に付着してマイクロチップの故障を引き起こす可能性のある粒子が水に含まれていないことが重要です。電力業界では、蒸気タービンを駆動するための蒸気を作るために超純水を使用しています。製薬施設では、製品の原料としてだけでなく、洗浄剤としても超純水を使用しているため、エンドトキシン、微生物、ウイルスのない水を求めています。

現在、イオン交換(IX) と電気脱イオン(EDI) は、ほとんどの場合逆浸透 (RO) に続く UPW 生産に関連する主要な脱イオン技術です。必要な水質に応じて、UPW 処理プラントでは、脱ガス、精密濾過、限外濾過、紫外線照射、および測定機器 (全有機炭素[TOC]、抵抗率/導電率、粒子、pH、および特定のイオンの特殊測定など) も備えていることがほとんどです。

当初、ゼオライト軟化法や冷石灰軟化法などの技術によって生成された軟水は、現代の UPW 処理の前身でした。そこから、「脱イオン」水という用語が次の進歩となり、合成IX 樹脂が 1935 年に発明され、1940 年代に商品化されました。最も初期の「脱イオン」水システムは、抵抗率または導電率の測定によって決定される「高純度」を生成するために IX 処理に依存していました。1960 年代に商用 RO 膜が登場した後、IX 処理での RO の使用が最終的に一般的になりました。EDI は 1980 年代に商品化され、この技術は現在では UPW 処理と一般的に関連付けられています。

UPWは最高レベルの純度が求められる半導体業界で広く使用されています。半導体業界で使用される電子グレードまたは分子グレードの水の量は、小さな都市の水消費量に匹敵します。1つの工場では、超純水（UPW） ^[5]を2MGD、つまり約5500 m ³ /日の割合で利用できます。UPWは通常、現場で生成されます。

UPWの用途は多岐にわたります。化学薬品を塗布した後にウェハーを洗浄したり、化学薬品自体を希釈したり、液浸フォトリソグラフィー用の光学システムで使用したり、重要な用途で冷却液の補充として使用したりします。UPWはクリーンルーム環境の加湿源として使用されることもあります。^[6]

UPW の主な、そして最も重要な用途は、FEOL段階のウェットエッチング工程中および工程後のウェーハ洗浄です。^{[7] : 118}洗浄およびエッチング段階では、製品の汚染やプロセス効率 (エッチング速度など) に影響を与える可能性のある不純物を水から除去する必要があります。化学機械研磨プロセスでは、試薬や研磨粒子に加えて水が使用されます。2002 年時点では、水分子 100 万個あたり 1 ～ 2 個の汚染分子が「超純水」(半導体グレードなど) と見なされていました。^{[7] : 118}

半導体産業における水質基準

フラットパネルディスプレイ、個別部品（ LEDなど）、ハードディスクドライブプラッタ（HDD）およびソリッドステートドライブNANDフラッシュ（SSD）、イメージセンサーおよびイメージプロセッサ/ウェーハレベルオプティクス（WLO）、結晶シリコン 太陽光発電など、他の種類の電子機器製造でも同様に使用されていますが、半導体業界の清浄度要件は現在最も厳しいものです。^[5]

製薬業界およびバイオテクノロジー業界における超純水の典型的な用途は、以下の表にまとめられています。^[8]

製薬およびバイオテクノロジー業界における超純水の利用

認可された人間および動物用ヘルスケア製品の製造のための医薬品およびバイオテクノロジー用途に使用するには、次の薬局方モノグラフの仕様に準拠する必要があります。

• 英国薬局方（BP）：^[9]精製水
• 日本薬局方（JP）：^[10]精製水
• ヨーロッパ薬局方 (Ph Eur): ^[11] Aqua purificata
• 米国薬局方（USP）：^[12]精製水

注: 精製水は、通常、超純水を使用する他のアプリケーションを参照する主要なモノグラフです。

超純水は、洗浄用途（必要に応じて）の重要なユーティリティとしてよく使用されます。また、滅菌用のクリーンな蒸気を生成するためにも使用されます。

次の表は、「注射用水」に関する 2 つの主要な薬局方の仕様をまとめたものです。

注射用水の薬局方規格

超純水と脱イオン水の検証

超純水のバリデーションでは、リスクに基づくライフサイクルアプローチを使用する必要があります。^{[15] [16] [17] [18]}このアプローチは、設計と開発、適格性確認、継続的な検証の3つの段階で構成されています。規制上の期待に準拠するには、現在の規制ガイダンスを活用する必要があります。執筆時点で参照する一般的なガイダンス文書は次のとおりです。FDA Guide to Inspections of High Purity Water Systems、High Purity Water Systems (7/93)、^[19] the EMEA CPMP/CVMP Note for Guidance on Quality of Water for Pharmaceutical Use (London, 2002)、^[20] and USP Monograph <1231> Water For Pharmaceutical Purposes。^[21] ただし、他の管轄区域の文書が存在する場合があり、水システムをバリデーションする実務者はそれらを参照する責任があります。現在、世界保健機関 (WHO) ^[22]と医薬品査察協力スキーム (PIC/S) ^[23]は、水システムのバリデーション要件と戦略を概説した技術文書を開発しました。

純水システムでは、電気伝導率または抵抗率の測定がイオン汚染の最も一般的な指標です。同じ基本測定値が、製薬業界や電力業界で一般的なマイクロジーメンス/センチメートル (μS/cm) の伝導率単位、またはマイクロエレクトロニクス業界で使用されているメガオームセンチメートル (MΩ⋅cm) の抵抗率単位で読み取られます。これらの単位は相互に逆数です。完全に純水の伝導率は 0.05501 μS/cm、抵抗率は 25 °C で、これらの測定値が補正される最も一般的な基準温度です。これらの測定値の汚染に対する感度の例として、0.1 ppb の塩化ナトリウムは純水の伝導率を 0.05523 μS/cm に上げ、抵抗率を 18.11 MΩ⋅cm に下げます。^{[24] [25]}

超純水は、サンプル ラインを使用して測定する場合、大気中の二酸化炭素がわずかな漏れを通り抜けたり、薄壁ポリマー チューブを透過したりして簡単に汚染されます。二酸化炭素は水中で導電性炭酸を形成します。このため、導電率プローブはほとんどの場合、汚染のリアルタイムの連続監視を提供するために、超純水システムのメイン配管に直接恒久的に挿入されます。これらのプローブには導電率センサーと温度センサーの両方が組み込まれており、純水の導電率に及ぼす非常に大きな温度の影響を正確に補正できます。導電率プローブは、純水システムで何年も使用できます。測定精度の定期的な検証 (通常は毎年) を除き、メンテナンスは必要ありません。

ナトリウムは通常、劣化した陽イオン交換体を最初に突破するイオンです。ナトリウム測定は、この状態を迅速に検出でき、陽イオン交換再生の指標として広く使用されています。陽イオン交換流出液の導電率は、陰イオンと水素イオンが存在するため常に非常に高いため、導電率測定はこの目的には役立ちません。ナトリウムは、一般的な腐食性汚染物質であり、比較的高いバックグラウンド導電率を持つアンモニアやアミン処理の量が多い場合、非常に低い濃度で検出できるため、発電所の水と蒸気のサンプルでも測定されます。

超純水中のオンラインナトリウム測定では、通常、ガラス膜ナトリウムイオン選択電極と参照電極を使用し、少量の連続的に流れる副流サンプルを測定する分析装置で測定されます。電極間で測定される電圧は、ネルンストの式に従って、ナトリウムイオンの活性または濃度の対数に比例します。対数応答のため、ppb 未満の低濃​​度を日常的に測定できます。水素イオンによる干渉を防ぐため、測定前に純粋なアミンを連続的に添加してサンプルの pH を上げます。低濃度での校正は、時間を節約し、手動校正の変数を排除するために、自動分析装置で行われることがよくあります。^[26]

高度なマイクロエレクトロニクス製造プロセスでは、ウェーハのフィルムや層の酸化を防ぐために、超純洗浄水中の溶存酸素(DO) 濃度を 1 桁台から 10 ppb に抑える必要があります。発電所の水と蒸気中の DO は、腐食を最小限に抑えるために ppb レベルに制御する必要があります。発電所の銅合金部品には 1 桁台の ppb の DO 濃度が必要ですが、鉄合金は 30 ～ 150 ppb の範囲の高濃度の不動態化効果の恩恵を受けることができます。

溶存酸素は、電気化学セルまたは光学蛍光という 2 つの基本技術によって測定されます。従来の電気化学測定では、ガス透過性膜を備えたセンサーを使用します。膜の後ろにある電解質に浸された電極は、サンプルの酸素分圧に直接比例する電流を発生させます。信号は、水中の酸素溶解度、電気化学セルの出力、膜を介した酸素の拡散速度に応じて温度補正されます。

光学蛍光DOセンサーは、光源、蛍光体、および光学検出器を使用します。蛍光体はサンプルに浸されています。光は蛍光体に向けられ、蛍光体はエネルギーを吸収し、より長い波長で光を再放射します。再放射された光の持続時間と強度は、シュテルン・フォルマーの関係によって溶存酸素分圧と関連しています。信号は、水中の酸素の溶解度と蛍光体の特性に応じて温度補正され、DO濃度値が得られます。^[27]

シリカはマイクロエレクトロニクス処理に有害な汚染物質であり、ppb 未満のレベルに維持する必要があります。蒸気発電では、シリカが熱交換表面に堆積して熱効率を低下させる可能性があります。高温ボイラーでは、シリカは揮発して蒸気とともに運ばれ、タービンブレードに堆積して空気力学的効率を低下させる可能性があります。シリカ堆積物は非常に除去が困難です。シリカは、使用済みのアニオン交換樹脂によって放出される最初の測定可能な種であるため、アニオン樹脂再生のトリガーとして使用されます。シリカは非導電性であるため、導電率では検出できません。

シリカは、比色分析装置で副流サンプルから測定されます。この測定では、モリブデン酸塩化合物や還元剤などの試薬を加えて青色のシリカモリブデン酸塩錯体を生成します。この色は光学的に検出され、ビール・ランバートの法則に従って濃度と関連しています。ほとんどのシリカ分析装置は、自動化された半連続ベースで動作し、少量のサンプルを分離し、試薬を順番に追加し、試薬の消費を最小限に抑えながら反応が起こるのに十分な時間を与えます。表示と出力信号は、通常10〜20分間隔でバッチ測定結果ごとに更新されます。^[28]

UPW 内の粒子は、シリコン ウェーハに付着した粒子が半導体回路の電気経路間のギャップを埋める可能性があるため、半導体製造において常に大きな問題となってきました。経路が短絡すると、半導体デバイスは正常に動作しなくなります。このような障害は歩留まり損失と呼ばれ、半導体業界で最も注意深く監視されるパラメータの 1 つです。これらの単一粒子を検出するために選択された手法は、少量の UPW に光線 (レーザー) を照射し、粒子によって散乱された光を検出することです (この手法に基づく機器はレーザー粒子カウンタまたは LPC と呼ばれます)。半導体メーカーが同じ物理的スペースに詰め込むトランジスタの数が増えるにつれて、回路の線幅はますます狭くなっています。その結果、LPC メーカーは、ペースを維持するために、ますます強力なレーザーと非常に高度な散乱光検出器を使用する必要があります。線幅が 10 nm (人間の髪の毛の直径は約 100,000 nm) に近づくにつれて、LPC テクノロジは二次的な光学効果によって制限されるようになり、新しい粒子測定手法が必要になります。最近、スウェーデンのストックホルムにあるエレクトラム研究所（王立工科大学）で、NDLS と呼ばれる新しい分析方法が実用化されました。NDLS は、動的光散乱 (DLS) 装置に基づいています。

UPW の別の種類の汚染物質は、主にシリカである溶解無機物質です。シリカは地球上で最も豊富な鉱物の 1 つであり、すべての水源に含まれています。溶解無機物質は、UPW が乾燥するときにウェーハ上に残る可能性があります。これもまた、大幅な歩留まりの低下につながる可能性があります。微量の溶解無機物質を検出するには、非揮発性残留物の測定が一般的に使用されます。この技術では、噴霧器を使用して空気の流れに浮遊する UPW の液滴を作成します。これらの液滴は高温で乾燥され、非揮発性残留粒子のエアロゾルが生成されます。次に、凝縮粒子カウンターと呼ばれる測定装置が残留粒子をカウントし、重量の 1 兆分の 1 (ppt) で読み取ります。^[29]

総有機炭素は、水中の有機物を CO2 に酸化し、酸化後の CO2 濃度の増加またはデルタ CO2 を測定し、測定されたデルタ CO2 量を「炭素質量」/体積濃度単位に変換することによって最も_一般的_に測定_され_ます。水サンプル中の初期の CO2 は、無機炭素または IC として定義されます。酸化された有機物から生成された CO2_と初期の CO2 _{( IC} ) の両方を合わせて、総炭素または TC として定義されます。TOC 値は、TC と IC の差に等しくなります。^[30]

_{有機物のCO2}への酸化は、一般的には液体溶液中で、酸化力の高い化学種であるヒドロキシルラジカル (OH•) の生成によって行われます。燃焼環境における有機物の酸化には、他のエネルギーを帯びた分子状酸素種の生成が伴います。UPW システムにおける一般的な TOC レベルの場合、ほとんどの方法では液相中のヒドロキシルラジカルが利用されます。

水中の有機物を完全に CO ₂に酸化するために必要なヒドロキシルラジカルの十分な濃度を生成する方法は複数あり、各方法はさまざまな水の純度レベルに適しています。UPW 精製システムのフロントエンドに供給される一般的な原水では、原水の TOC レベルは 0.7 mg/L ～ 15 mg/L であり、有機分子内のすべての炭素原子を完全に CO ₂に変換するのに十分な酸素があることを保証できる堅牢な酸化方法が必要です。十分な酸素を供給する堅牢な酸化方法には、紫外線 (UV) と過硫酸塩、加熱過硫酸塩、燃焼、超臨界酸化などがあります。過硫酸塩によるヒドロキシルラジカルの生成を示す一般的な式は次のとおりです。

ス
₂お²⁻⁸
_...+ hν (254 nm) → 2 SO⁻
₄• など⁻
₄• + H
₂O → HSO⁻
₄+ ああ •

有機物濃度が TOC として 1 mg/L 未満で、水が酸素で飽和している場合、紫外線は有機物を CO ₂に酸化するのに十分であり、これはより簡単な酸化方法です。TOC が低い水の場合、紫外線の波長は 200 nm 未満である必要があり、通常は低圧水銀灯によって生成される 184 nm です。184 nm の紫外線は、水分子を OH ラジカルと H ラジカルに分解するのに十分なエネルギーを持っています。水素ラジカルはすぐに反応して H _{2 を}生成します。式は次のとおりです。

H ₂ O + hν (185 nm) → OH• + H • および H • + H • → H ₂

さまざまな種類のUPW TOC分析装置

IC（無機炭素）= CO
₂+ HCO⁻
₃+ CO²⁻³
_...

TC (総炭素) = 有機炭素 + IC

TOC（全有機炭素）= TC – IC

H ₂ O + hν (185 nm) → OH• + H •

ス
₂お²⁻⁸
_...+ hν (254 nm) → 2 SO⁻
₄•

それで⁻
₄• + H
₂O → HSO⁻
₄+ ああ •

UPW の品質をテストする場合、その品質が求められる場所と、その品質を測定する場所を考慮します。分配または配送ポイント (POD) は、システム内の最後の処理ステップの直後、分配ループの前のポイントです。これは、ほとんどの分析テストの標準的な場所です。接続ポイント (POC) は、UPW の品質を測定するためによく使用されるもう 1 つのポイントです。これは、ツールへの UPW 供給に使用されるサブメインまたは横方向のテイクオフ バルブの出口にあります。

グラブサンプルのUPW分析は、機器の可用性とUPW品質仕様のレベルに応じて、オンラインテストを補完するか、代替するかのいずれかになります。グラブサンプル分析は通常、次のパラメータについて実行されます：金属、陰イオン、アンモニウム、シリカ（溶解シリカと総シリカの両方）、SEM（走査型電子顕微鏡）による粒子、TOC（全有機化合物）、および特定の有機化合物。^{[1] [2]}

金属分析は、通常、ICP-MS（誘導結合プラズマ質量分析法）によって行われます。検出レベルは、使用する機器の種類とサンプルの準備および取り扱い方法によって異なります。現在の最先端の方法では、ICPMSで通常テストされるサブppt（1兆分の1）レベル（< 1ppt）に到達できます。^[31]

最も一般的な 7 つの無機陰イオン (硫酸塩、塩化物、フッ化物、リン酸塩、亜硝酸塩、硝酸塩、臭化物) の陰イオン分析は、イオンクロマトグラフィー (IC) によって行われ、1 桁の ppt の検出限界に達します。IC は、アンモニアやその他の金属陽イオンの分析にも使用されます。ただし、ICPMS は検出限界が低く、UPW 内の溶解金属と非溶解金属の両方を検出できるため、金属には好ましい方法です。IC は、 UPW 内の尿素を0.5 ppb レベルまで検出するためにも使用されます。尿素は UPW 内の最も一般的な汚染物質の 1 つであり、おそらく最も処理が難しい汚染物質です。

UPW 中のシリカ分析には通常、反応性シリカと総シリカの測定が含まれます。^[32]シリカ化学の複雑さのため、測定されるシリカの形態は、光度法 (比色法) によってモリブデン酸反応性シリカとして定義されます。モリブデン酸反応性のシリカの形態には、溶解した単純ケイ酸塩、モノマーシリカ、ケイ酸、および未測定のポリマーシリカ分画が含まれます。水中の総シリカ測定には、高解像度 ICPMS、GFAA (グラファイト炉原子吸光法)、^[33]およびシリカ分解と組み合わせた光度法が使用されます。多くの天然水では、この試験法によるモリブデン酸反応性シリカの測定によって総シリカの近似値が得られ、実際には、比色法が他のより時間のかかる技術の代わりに頻繁に使用されます。ただし、イオン交換カラムでのシリカの重合によりコロイド状シリカが存在することが予想される UPW では、総シリカ分析がより重要になります。電子業界では、水中のナノ粒子が半導体製造プロセスに与える影響が大きいため、コロイドシリカは溶解シリカよりも重要だと考えられています。シリカのレベルが ppb (10 億分の 1) 未満であるため、反応性シリカ分析と総シリカ分析の両方が同様に複雑になり、総シリカ テストが好まれることがよくあります。

粒子とTOCは通常オンライン法で測定されますが、補完的または代替的なオフラインラボ分析にも大きな価値があります。ラボ分析の価値には、コストとスペシエーションという2つの側面があります。オンライン機器を購入する余裕のない小規模なUPW施設では、多くの場合、オフラインテストを選択します。TOCは、オンライン分析に使用されているのと同じ技術を使用して、グラブサンプルで5ppbという低濃度で測定できます（オンラインメソッドの説明を参照）。この検出レベルは、それほど重要でない電子アプリケーションとすべての製薬アプリケーションのニーズの大部分をカバーします。トラブルシューティングや設計目的で有機物のスペシエーションが必要な場合は、液体クロマトグラフィー-有機炭素検出（LC-OCD）が効果的な分析を提供します。この方法では、バイオポリマー、フミン酸、低分子量の酸と中性物質などを識別しながら、TOCがppb未満のUPWの有機組成のほぼ100％を特徴付けることができます。^{[34] [35]}

TOC と同様に、SEM 粒子分析は高価なオンライン測定の低コストの代替手段であるため、あまり重要でないアプリケーションでよく選択される方法です。SEM 分析では、粒子サイズが 50 nm までの粒子をカウントできます。これは通常、オンライン機器の機能と一致します。このテストでは、UPW サンプリング ポートに SEM キャプチャ フィルター カートリッジを取り付け、UPW 粒子のターゲット サイズと同じかそれより小さい孔径を持つ膜ディスクでサンプリングします。次に、フィルターを SEM 顕微鏡に移し、そこで表面をスキャンして粒子を検出および識別します。SEM 分析の主な欠点は、サンプリング時間が長いことです。孔径と UPW システム内の圧力に応じて、サンプリング時間は 1 週間から 1 か月になります。ただし、粒子ろ過システムの一般的な堅牢性と安定性により、SEM 法をうまく適用できます。エネルギー分散型 X 線分光法 (SEM-EDS) を使用すると、粒子の組成分析が可能になるため、SEM はオンライン粒子カウンターを備えたシステムにも役立ちます。

細菌分析は、通常、ASTM法F1094に従って行われます。^[36]この試験方法は、浄水システムおよび送水システムからの高純度水の直接サンプリング蛇口によるサンプリングと分析、およびバッグに収集されたサンプルのろ過を対象としています。これらの試験方法は、水道管のサンプリングと、その後の培養法によるサンプルの微生物学的分析の両方を対象としています。水サンプルから回収され、フィルター上で計数された微生物には、好気性菌と通性嫌気性菌の両方が含まれます。培養温度は28 ± 2 °Cに制御され、培養時間は48時間または時間が許せば72時間です。通常、最も重要な用途では、より長い培養時間が推奨されます。ただし、水質の異常を検出するには通常48時間で十分です。

通常、都市給水（前述のすべての不要な汚染物質を含む）は、UPW の望ましい品質に応じて、大きな粒子の粗ろ過、炭素ろ過、水軟化、逆浸透、TOC および/または細菌の静電気制御のための紫外線 (UV) 照射、イオン交換樹脂または電気脱イオン化(EDI) による精製、そして最後にろ過または限外ろ過を含む一連の浄化手順を経ます。

一部のシステムでは、直接戻り、逆戻り、または蛇行ループを使用して水を貯蔵エリアに戻し、連続的な再循環を実現していますが、その他のシステムは UPW 生成ポイントから使用ポイントまで稼働する使い捨てシステムです。前者の継続的な再循環動作により、通過するたびに水が継続的に浄化されます。後者は、使用せずに停滞したままにしておくと、汚染物質が蓄積しやすくなります。

現代の UPW システムでは、環境上の制約 (廃水排出制限など) や再利用の機会 (再利用の義務的最小量があるかどうかなど) などの特定のサイトおよびプロセス要件を考慮することが重要です。UPW システムは、前処理、一次処理、および研磨の 3 つのサブシステムで構成されています。ほとんどのシステムは設計が似ていますが、水源の性質に応じて前処理セクションが異なる場合があります。

前処理：前処理により浄水が作られる。用いられる典型的な前処理は、2パス逆浸透、脱塩プラス逆浸透またはHERO（高効率逆浸透）である。^{[37] [38]}さらに、これらのプロセスの上流の濾過の程度は、原水に含まれる浮遊物質、濁度、および有機物のレベルによって決まる。一般的な濾過の種類は、浮遊物質の除去と濁度の低減のための多媒体、自動逆洗式フィルターおよび限外濾過と、有機物の低減のための活性炭である。活性炭は、脱塩ステップの逆浸透の上流で塩素を除去するためにも使用される。活性炭を使用しない場合は、供給水の脱塩素化に亜硫酸水素ナトリウムが使用される。

一次処理:一次処理は、有機物削減のための紫外線 (UV)、脱塩のための EDI または混合床イオン交換から構成されます。混合床は、再生不可能 (EDI 後)、インサイチュー再生、または外部再生が可能です。このセクションの最後のステップは、膜脱ガス処理または真空脱ガスを利用した溶存酸素の除去です。

研磨：研磨は、UV、UPW供給における一定温度を制御するための熱交換、非再生イオン交換、膜脱ガス（最終UPW要件まで研磨するため）、および必要な粒子レベルを達成するための限外濾過から構成されます。一部の半導体工場では、一部のプロセスで高温のUPWが必要です。この場合、研磨されたUPWは製造工程に送られる前に70～80℃の範囲で加熱されます。これらのシステムのほとんどには熱回収が含まれており、製造工程から戻された余分な高温のUPWは熱回収ユニットに送られ、その後UPW供給タンクに戻され、加熱水の使用や高温のUPW戻り流の冷却の必要性が削減されます。^[39]

実用的かつコスト効率よく、システムのできるだけ前方で汚染物質を除去します。

TOC と導電率の急上昇を回避するために、補給セクションと一次セクションの定常流を維持します (開始/停止操作なし)。上流で過剰流量を再循環させます。

逆浸透ユニット後の化学薬品の使用を最小限に抑えます。

最適な品質の UPW 補給を保証し、混乱の可能性を最小限に抑えるために、現場または外部で再生された一次床の代わりに EDI および再生不可能な一次混合床を検討してください。

特に一次セクションと研磨セクションでは、システムに TOC と粒子を供給しない材料を選択します。研磨ループ内のステンレス鋼材料を最小限に抑え、使用する場合は電解研磨をお勧めします。

細菌の繁殖を防ぐために、配管内のデッドレッグを最小限に抑えます。

乱流を確実にするために、配管および配管ネットワークの洗浄速度を最小に維持します。推奨される最小値は、レイノルズ数が 3,000 Re 以上です。これは、設計者の許容レベルに応じて、最大 10,000 Re までの範囲になります。

研磨混合床にはバージン樹脂のみを使用してください。1 ～ 2 年ごとに交換してください。

粒子バーストなどのシステム障害を回避するために、一定の流量と一定の圧力で UPW を製造に供給します。

油圧バランスを保ち、逆流（供給への戻り）を回避するために、逆戻り分配ループ設計を活用します。

容量は、UPW システムの構成とサイズに関するエンジニアリング上の決定において重要な役割を果たします。たとえば、旧式で小型の電子システムの研磨システムは、細菌汚染を避けるために、パイプの端で最大 60 cm (2 フィート)/秒の最小流速基準に合わせて設計されていました。より大規模な工場では、より大型の UPW システムが必要でした。下の図は、新しい工場で製造されるウェーハのサイズが大きくなったことによる消費量の増加を示しています。ただし、より大きなパイプ (より高い消費量による) の場合、60 cm (2 フィート)/秒の基準は消費量が非常に多く、研磨システムが大きすぎることを意味していました。業界はこの問題に対応し、広範な調査、より純度の高い材料の選択、および最適化された分配設計を通じて、レイノルズ数基準を使用して最小流量の設計基準を下げることができました。

右の図は、UPW のメイン供給ラインの最大直径が製造中のウェーハのサイズに等しいという興味深い偶然を示しています (この関係はクライバーの法則として知られています)。配管とシステム全体のサイズが大きくなると、スペース管理とプロセス最適化に対する新しいアプローチが必要になります。その結果、新しい UPW システムはむしろ似たようなものになり、コストとスペース管理に対する非効率性の影響が少ないため、設計があまり最適化されていない可能性のある小型の UPW システムとは対照的です。

容量に関するもう 1 つの考慮事項は、システムの操作性に関係しています。小規模なラボ スケール (1 分あたり数十リットル/数ガロンの容量) のシステムでは、通常、オペレーターは関与しませんが、大規模システムでは、十分に訓練されたオペレーターによって 24 時間 365 日稼働するのが一般的です。その結果、小規模システムは、化学薬品を使用せず、大規模システムよりも水とエネルギーの効率が低くなるように設計されます。

UPW 内の粒子は重大な汚染物質であり、ウェーハ表面にさまざまな形の欠陥を引き起こします。各ウェーハに接触する UPW の量は多いため、ウェーハ上に粒子が堆積しやすくなります。堆積した粒子はウェーハ表面から簡単には除去できません。希釈化学薬品の使用が増えるにつれて、UPW 内の粒子はウェーハの UPW リンスだけでなく、UPW が使用される化学薬品の主要成分である希釈ウェット洗浄およびエッチング中に粒子が混入することでも問題になります。

粒子レベルは nm サイズに制御する必要があり、現在の傾向^{[時点? ]}では UPW の粒子制御は 10 nm 以下に近づいています。メイン ループにはフィルターが使用されますが、UPW システムのコンポーネントによって水中に粒子がさらに混入する可能性があるため、使用時点では追加のろ過が推奨されます。

フィルター自体は、超清浄で堅牢な材料で作られている必要があり、UPW に有機物や陽イオン/陰イオンを供給せず、信頼性と性能を保証するために工場出荷時に完全性テストを実施する必要があります。一般的な材料には、ナイロン、ポリエチレン、ポリサルフォン、フッ素ポリマーなどがあります。フィルターは一般にポリマーの組み合わせで作られ、UPW で使用する場合は接着剤やその他の汚染添加剤を使用せずに熱溶接されます。

フィルターの微細孔構造は粒子制御に非常に重要であり、この構造は等方性または非対称にすることができます。前者の場合、細孔分布はフィルター全体で均一ですが、後者の場合は、より細かい表面が粒子を除去し、粗い構造が物理的なサポートを提供し、全体的な差圧を低減します。

フィルターはカートリッジ形式にすることができ、その場合 UPW はプリーツ構造を通り、汚染物質はフィルター表面に直接集められます。UPW システムで一般的なのは、中空糸膜で構成された限外濾過装置 (UF) です。この構成では、UPW は中空糸を横切って流れ、汚染物質を廃棄物ストリーム (保持ストリーム) に掃き出します。保持ストリームは全流量のわずかな割合に過ぎず、廃棄されます。製品水、つまり透過ストリームは、中空糸の表皮を通過し、中空糸の中心から排出される UPW です。UF は UPW 用の非常に効率的な濾過製品であり、粒子を保持ストリームに掃き出すことで、時々洗浄するだけで非常に長い寿命が得られます。UPW システムで UF を使用すると、1 桁ナノメートルの粒子サイズに対して優れた粒子制御が実現します。^[39]

UPW ろ過のユース ポイント アプリケーション (POU) には、ウェット エッチングと洗浄、IPA 蒸気または液体乾燥前のリンス、および現像後のリソグラフィー ディスペンス UPW リンスが含まれます。これらのアプリケーションは、POU UPW ろ過に特有の課題をもたらします。

ウェットエッチングと洗浄の場合、ほとんどのツールはシングルウェーハプロセスであり、ツールの要求に応じてフィルターを通過する必要があります。結果として生じる断続的な流れは、スプレーノズルを通した UPW の流れの開始時にフィルターを全量通過し、その後細流に戻ります。細流は通常、ツールのデッドレッグを防ぐために維持されます。フィルターは、圧力と低サイクルに耐えられるほど頑丈でなければならず、フィルターの耐用年数全体にわたって捕捉した粒子を保持し続けなければなりません。これには、適切なプリーツ設計と形状、および粒子の捕捉と保持を最適化するように設計されたメディアが必要です。一部のツールでは、交換可能なフィルターを備えた固定フィルターハウジングが使用され、他のツールでは POU UPW に使い捨てのフィルターカプセルが使用されます。

リソグラフィー用途では、小型のフィルター カプセルが使用されます。ウェット エッチングやクリーン POU UPW 用途の課題と同様に、リソグラフィー UPW リンスでは、フィルターを通過する流れは断続的ですが、流量と圧力は低いため、物理的な堅牢性はそれほど重要ではありません。リソグラフィー用のもう 1 つの POU UPW 用途は、193 nm 液浸リソグラフィー パターン形成用のレンズ/ウェーハ インターフェースで使用される浸漬水です。UPW はレンズとウェーハの間に水たまりを形成し、NA を向上させます。また、UPW は極めて純粋である必要があります。ステッパー スキャナーの直前の UPW には POU フィルターが使用されます。

POU UPW アプリケーションでは、現在、高度な 2x および 1x ノードに 15 nm 未満のフィルターが使用されています。フィルターは一般にナイロン、高密度ポリエチレン (HDPE)、ポリアリールスルホン (またはポリスルホン)、または ポリテトラフルオロエチレン(PTFE) の膜で作られており、ハードウェアは通常 HDPE または PFA で構成されています。

使用時点での処理は、液浸リソグラフィーやマスク準備などの重要なツール アプリケーションで、超純水の品質を一定に保つためによく使用されます。中央ユーティリティ ビルにある UPW システムは、ファブに高品質の水を提供しますが、これらのプロセスに十分な水浄化の一貫性を提供できない場合があります。

尿素、THM、イソプロピルアルコール(IPA) または他の除去困難な (低分子量中性化合物) TOC 種が存在する可能性がある場合は、システムを使用した高度酸化プロセス(AOP) による追加処理が必要です。これは、1 ppb 未満の厳しい TOC 仕様を達成する必要がある場合に特に重要です。これらの制御困難な有機物は、特に最も要求の厳しいプロセス ステップで、歩留まりとデバイス パフォーマンスに影響を与えることが証明されています。POU 有機物を 0.5 ppb TOC レベルまで制御する成功例の 1 つは、過硫酸アンモニウムと UV 酸化を組み合わせた AOP です (TOC 測定セクションの過硫酸塩 + UV 酸化化学を参照してください)。

利用可能な独自のPOU高度酸化プロセスは、SEMI F063要件を超える温度、酸素、粒子を一定に保つことに加えて、TOCを一貫して0.5ppbまで低減することができます。^[2]これは、わずかな変化が製造プロセスに直接影響し、製品の歩留まりに大きな影響を与える可能性があるため重要です。^{[39] [40]}

半導体業界では、後にコンピュータ チップに加工されるシリコンウェーハの表面から汚染物質を洗い流すために、大量の超純水を使用しています。超純水は定義上、汚染物質が極めて少ないのですが、ウェーハの表面と接触すると、表面から残留化学物質や粒子が運ばれ、製造施設の産業廃棄物処理システムに流れ込みます。洗浄水の汚染レベルは、その時点で洗浄されている特定のプロセス ステップによって大きく異なります。「最初の洗浄」ステップでは、残留汚染物質や粒子が大量に残る可能性がありますが、最後の洗浄では汚染物質の量は比較的少ない可能性があります。一般的な半導体工場には、これらすべての洗浄用の排水システムが 2 つしかなく、これらも酸廃棄物と混合されるため、製造プロセスの欠陥を引き起こす汚染のリスクがあるため、洗浄水は効果的に再利用されません。

前述のように、超純水は一般に半導体用途ではリサイクルされず、他のプロセスで再利用されます。米国カリフォルニア州アーバインの Exergy Systems, Inc. は、特許取得済みの脱イオン水リサイクル プロセスを提供しています。この製品は、数多くの半導体プロセスでテストされ、成功を収めています。

定義:

ITRSでは以下の定義が用いられている: ^[6]

• UPWリサイクル–処理後の同じ用途での水の再利用
• 水の再利用– 二次用途での使用
• 水の再生– 廃水から水を抽出する

水の回収とリサイクル:

一部の半導体製造工場では、化学吸引装置などの非プロセス用途に再生水を使用しており、排出水は産業廃棄物に送られます。水の再生も一般的な用途で、製造施設からの使用済みリンス水は、冷却塔供給、排気スクラバー供給、または使用場所の除害システムに使用される場合があります。UPW リサイクルはそれほど一般的ではなく、使用済み製造リンス水を収集し、処理して、ウェーハリンスプロセスで再利用します。使用済みリンス水の品質と再生水の用途に応じて、これらのいずれの場合も追加の水処理が必要になる場合があります。これらは世界中の多くの半導体施設でかなり一般的な方法ですが、製造プロセスでの再利用を考慮しない場合、再生およびリサイクルできる水の量には制限があります。

UPWリサイクル:

半導体製造工程からの洗浄水のリサイクルは、何十年もの間、多くの製造エンジニアによって推奨されていませんでした。化学残留物や粒子による汚染が UPW 供給水に戻って製品欠陥につながるリスクがあるためです。現代の超純水システムは、イオン汚染を 1 兆分の 1 レベル (ppt) まで除去するのに非常に効果的ですが、超純水システムの有機汚染は依然として 10 億分の 1 レベル (ppb) です。いずれにしても、UPW 補給用のプロセス水洗浄水のリサイクルは常に大きな懸念事項であり、最近まで一般的な方法ではありませんでした。米国とアジアの一部地域で水と廃水のコストが上昇しているため、一部の半導体企業は UPW 補給システムでの製造プロセス洗浄水のリサイクルを調査するようになりました。一部の企業は、複合廃水排出の最悪の状況を想定して設計された複雑な大規模処理を使用するアプローチを採用しています。最近では、処理システムのコストと複雑さを最小限に抑えるために詳細な水管理計画を組み込む新しいアプローチが開発されています。

水管理計画:

水の再利用、リサイクル、再利用を最大限に高める鍵は、よく考えられた水管理計画を持つことです。成功する水管理計画には、使用される化学物質とその副産物を含め、製造プロセスで洗浄水がどのように使用されるかを完全に理解することが含まれます。この重要なコンポーネントの開発により、中程度に汚染された洗浄水と軽度に汚染された洗浄水から濃縮化学物質を分離する排水収集システムを設計できます。別々の収集システムに分離すると、かつては化学プロセス廃棄物と考えられていたストリームを再利用または製品ストリームとして販売し、洗浄水を再利用できます。

水管理計画では、適切な排水の分離、オンライン分析測定の適用、転用制御、および最終処理技術を決定するために、大量のサンプル データと分析も必要になります。これらのサンプルを収集し、ラボ分析を実行すると、さまざまな廃棄物ストリームの特性を明らかにし、それぞれの再利用の可能性を判断するのに役立ちます。UPW プロセスのリンス水の場合、ラボ分析データを使用して、汚染の一般的なレベルと非一般的なレベルのプロファイルを作成し、リンス水処理システムを設計できます。一般的に、80 ～ 90% の確率で発生する可能性のある一般的なレベルの汚染を処理するようにシステムを設計し、汚染レベルが処理システムの能力を超えたときに、リンス水を産業廃棄物または冷却塔などの重要でない用途に転用するためのオンライン センサーと制御を組み込むのが最も費用対効果が高い方法です。半導体製造現場で水管理計画のこれらすべての側面を組み込むことで、水使用量を最大 90% 削減できます。

ステンレス鋼は、製薬業界では依然として配管材料として好まれています。ステンレス鋼は金属的な役割を担っているため、1980 年代にはマイクロエレクトロニクス UPW システムからほとんどの鋼が取り除かれ、米国とヨーロッパではポリフッ化ビニリデン(PVDF)、^[1] パーフルオロアルコキシ(PFA)、エチレンクロロトリフルオロエチレン(ECTFE)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE) などの高性能ポリマーに置き換えられました。アジアでは、高性能ポリマーに加えて、ポリ塩化ビニル(PVC)、塩素化ポリ塩化ビニル(CPVC)、ポリプロピレン(PP) が人気です。

熱可塑性プラスチックは、さまざまな熱融合技術によって接合できます。

• ソケット フュージョン (SF) は、パイプの外径が継手の内径に「ぴったり合う」ように適合するプロセスです。パイプと継手は、ブッシング (それぞれ外側と内側) 上で規定の時間加熱されます。次に、パイプが継手に押し込まれます。冷却後、溶接された部品がクランプから取り外されます。
• 従来の突合せ溶接 (CBF) は、接合する 2 つの部品の内径と外径が同じである場合のプロセスです。部品の端は、ヒーター プレートの反対側に一定時間押し当てて加熱されます。次に、2 つの部品を合わせます。冷却後、溶接部品をクランプから取り外します。
• ビードとクレバスフリー (BCF) は、同じ内径と外径を持つ 2 つの熱可塑性部品を一緒に配置する方法を使用します。次に、膨張可能なブラダーを部品の内腔に挿入し、2 つの部品の内側に等距離に配置します。ヒーター ヘッドが部品を一緒にクランプし、ブラダーを膨らませます。規定の時間が経過すると、ヒーター ヘッドが冷え始め、ブラダーが収縮します。完全に冷却されると、ブラダーが取り外され、結合された部品がクランプ ステーションから取り出されます。BCF システムの利点は、溶接ビードがないため、溶接領域の表面がパイプの内壁と同じくらい滑らかになることです。
• 赤外線溶融（IR）はCBFに似たプロセスですが、部品の端がヒーターヘッドに接触しない点が異なります。代わりに、熱可塑性プラスチックを溶かすエネルギーは放射熱によって伝達されます。IRには2つのバリエーションがあります。1つは2つの部品を合わせるときにオーバーラップ距離^[41]を使用するもので、もう1つは圧力を使用するものです。前者のオーバーラップを使用すると、ビードサイズのばらつきが減り、産業設備に必要な正確な寸法公差をより適切に維持できます。