Geen leven zonder ultra puur water?

 IA Washington Roger Kleinenberg, meer informatie: [email protected] of www.rvo.nl/ia‐netwerk Geen leven zonder ultra puur water? Introductie Geen leven zonder water en geen smartphones zonder ultra puur water, zoveel is duidelijk. De halfgeleiderindustrie is voor de productie van microchips en wafers met toepassingen over de hele breedte van de moderne maatschappij, afhankelijk van de beschikbaarheid van ultra puur water. De Amerikaanse halfgeleiderindustrie is sinds het ontstaan zo’n vijftig jaar geleden nog steeds wereldleider in de productie van halfgeleiders (wafers) en alle hoog technologische toepassingen. Van de ongeveer US$ 300 miljard omzet per jaar wereldwijd wordt ca. US$ 150 miljard in de VS gerealiseerd. De wereldwijde markten voor de toepassingen en aanverwante services hebben een omvang van respectievelijk ongeveer US$ 1,5 biljoen en US$ 5 biljoen, samen goed voor ca 10 procent van het wereldwijde BNP. De industrie kent grote spelers als Intel, Texas Instruments en IBM in de VS, STMicroelectronics en NXP in Europa, Samsung en NEC in Azië. Een investering in een nieuwe waferfabriek ligt in de ordegrootte van US$ 2,5 miljard. Veel van deze fabrieken staan in Taiwan, Zuid Korea en Japan, maar van de totaal ongeveer 400 fabrieken wereldwijd staan er nog steeds 250 in de VS. De fabrieken produceren wafers van micro‐chips (135mm, 200mm en 300mm diameter) in meerstaps processen, waarbij een aantal malen geëtst en gepolijst wordt. Veel moderne microchips bestaan uit acht of meer lagen, die in meer dan 300 opeenvolgende stappen geproduceerd worden. Bij elk van de stappen ontstaat “afval” (slijpgruis, polijstafval) dat steeds volledig verwijderd moet worden. Naarmate de elektronische schakelingen in een chip kleiner worden, is het noodzakelijk om naar verhouding steeds grondiger tot absoluut schoon te maken. Een deeltje van enkele nanometers groot kan de efficiëntie van de microchip negatief beïnvloeden, of zelfs onbruikbaar maken. Ultra puur water Voor het schoonmaken wordt water en ultra puur water (UPW) gebruikt. Water kan namelijk bijna alle chemische stoffen in zekere mate oplossen. Honderd procent puur water bestaat uitsluitend uit watermoleculen H2O in evenwicht met H+ en ‐OH. UPW is het zuiverste oplosmiddel dat we kennen en kan tot 99,99999975 procent zuiver geproduceerd worden. Vrijwel iedere waferfabriek heeft een aparte fabriek om UPW te produceren, vaak uitbesteed aan gespecialiseerde bedrijven. De industriële productie van UPW is een complex proces met meer stappen. Het omvat de verwijdering van zwevende, vaste deeltjes, anorganische stoffen, mineralen, organische moleculen, opgeloste gassen en ‐ een steeds groter probleem ‐ micro‐organismen, inclusief biologische moleculen. Water wordt behandeld met een combinatie van “gewone” zuiveringstechnieken, zoals filtratie, tot hyper‐filtratie, omgekeerde osmose, actieve kool, UV‐behandeling, hitte, ozonisatie, waterstofperoxide en combinaties van verschillende technologieën en chemische processen die de verontreinigingen zo grondig als mogelijk moeten verwijderen. Bijvoorbeeld wordt voor de verwijdering van bacteriën gebruik gemaakt van UV254 licht en ozonisatie ook al in de voorbehandeling om microbiële verontreiniging te voorkomen. Dit moet in een atmosfeer plaatsvinden zonder zuurstof en kooldioxide (bijvoorbeeld onder stikstof) om ionen als verontreiniging te voorkomen en de groei van bacteriën tegen te gaan. 1 Ondanks dat blijkt het zo goed als onmogelijk om vervuilende micro‐organismen volledig te verwijderen. In de hele installatie zijn voldoende plekken waar micro‐organismen kunnen gedijen en zijn er ook bacteriën die bijvoorbeeld stikstof kunnen binden en blijven groeien. Ook de verwijdering van organische verbindingen als chloroform, ureum, isopropylalcohol, afkomstig uit de afbraak van in de natuur voorkomende en door de mens gemaakte chemicaliën (kunstmest, medicijnen, e.d.) is complex en kan niet volledig gerealiseerd worden. Bijvoorbeeld de oxidatie van isopropylalcohol levert als product aceton op, dat hoegenaamd niet is te scheiden van water. Voor die verwijdering zijn daarom weer andere specifieke technieken nodig. Al met al moet UPW geproduceerd worden met <1,5 microgram/liter (ppb) niet gasvormige anorganische verbindingen en <1 microgram/liter (ppb) organische verbindingen om effectief te zijn. Ter vergelijking: 1 ppb is ongeveer 1 seconde op 32 jaar. Het UPW is na gebruik sterk vervuild en kan niet zonder meer geloosd worden. De industrie moet zich aan strenge regelgeving houden, waaronder de Clean Water Act van de Environmental Protection Agency (EPA) en aanvullende van staat tot staat verschillende regels. Het afvalwater wordt opgevangen en gezuiverd, waarvoor wederom complexe zuiveringsprocessen nodig zijn. De vervuiling bestaat bijvoorbeeld uit zware metalen die niet goed met traditionele processen te zuiveren zijn, of waardoor afvalproducten ontstaan die in sommige staten (o.a. Californië) beschouwd worden als chemisch afval. De waterzuivering brengt dus weer eigen problemen met zich mee. Hoeveelheden en kosten De hoeveelheden UPW nodig voor de productie van wafers is van veel factoren afhankelijk. Zo hebben 200 mm wafers minder nodig dan 300 mm wafers en geheugenchips weer minder dan logische chips, omdat ze uit minder lagen bestaan. Uit industriestatistieken blijkt dat voor de productie van een 300 mm wafer ongeveer 10.000 liter water nodig is, waarvan ongeveer 6.000 liter UPW is. In totaal komt dat neer op 2.000 ‐ 10.000 liter UPW per minuut per fabriek. Een complete installatie voor UPW‐productie en afvalwaterverwerking kost ongeveer US$ 25 ‐ 40 miljoen. De jaarlijks terugkerende kosten voor de halfgeleiderindustrie zijn ongeveer US$ 1 miljard voor water en waterzuivering. De industrie is dus hard op zoek naar kostenreductie en procesinnovaties. De “International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS)” gaat hier op in en benadrukt het belang van verdere reductie van organische en anorganische vervuilingen, verminderd watergebruik en verbeterde opwerking/recycling van UPW uit afvalwater. Dit laatste zou een jaarlijkse besparing van US$ 100 miljoen in de VS kunnen opleveren. Tot slot Het maken van UPW is een complex en kostbaar proces, maar het is een onmisbaar onderdeel voor de productie van hoogwaardige halfgeleiders. Zonder ultra puur water geen smartphones en andere micro‐elektronica producten. Voor veel mensen is dat heden ten dage eveneens synoniem met “geen leven.” Zie ook International Technology Roadmap for Semiconductors: http://public.itrs.net/ http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC123900/ 2 http://www.water.siemens.com/en/semiconductor‐solar/semiconductor/Pages/upw‐apps‐
semiconductor‐industry.aspx https://www.millipore.com/references/files/pmc_url/$file/RD004EN00.pdf http://www.globalwaterintel.com/archive/10/10/market‐insight/pure‐water‐semiconductors‐and‐
the‐recession.html http://www.fastcompany.com/1750612/dangerously‐clean‐water‐used‐make‐your‐iphone 3