Grande Chimica: Acqua Ultrapura

Sep 20, 2023

Il mio primo lavoro dopo la scuola di specializzazione è stato presso un'azienda biotecnologica a Cambridge, nel Massachusetts. Era un gruppo piccolo e tutti avevano un "lavoro di laboratorio" in aggiunta a qualunque attività scientifica per cui fossero stati assunti: un compito per mantenere le aree comuni del laboratorio. Il mio compito era mantenere i sistemi di purificazione dell'acqua in modo che tutti avessero un'ampia fornitura di acqua pura e deionizzata con cui lavorare. Il lavoro consisteva principalmente nel cambiare il filtro e le cartucce a scambio ionico delle unità di lucidatura finale, che pulivano l'acqua del rubinetto abbastanza per la scienza.

Quando cambiavo i pacchi filtro, rimanevo sempre stupito e disgustato dagli strati di melma e sedimenti al loro interno. Uno sguardo fuori dalla finestra sulle rive del fiume Charles - adoro quell'acqua sporca - era sufficiente per spiegare quello che stavo vedendo, ed è stata una lezione su quante altre cose si mescolano con l'acqua che bevi e con cui cucini e fare il bagno.

Mentre noi esseri umani generalmente possiamo cavarcela abbastanza bene con l’acqua che è considerata solo ragionevolmente pura, i nostri processi industriali sono tutt’altra cosa. Tutto, dalle centrali elettriche agli impianti di produzione farmaceutica, necessita di acqua di purezza molto, molto più elevata, ma niente richiede acqua più pura delle operazioni specializzate su scala nanometrica di una fabbrica di semiconduttori. Ma come fa la normale acqua del rubinetto a trasformarsi in una sostanza chimica di tale purezza che i contaminanti vengono misurati in parti per trilione? E come fanno le fabbriche a produrre abbastanza acqua ultrapura da soddisfare i loro bisogni? Con una grande chimica.

Sebbene gli standard varino a seconda del settore, in generale il livello di purezza raggiunto dall’acqua ultrapura (UPW) è quasi incredibile e soffre rispetto a qualcosa come l’acqua potabile. Anche l'acqua potabile più pura è in realtà una miscela complessa di minerali e gas disciolti nell'acqua, con un discreto numero di particelle sospese in essa. Come esempio di quanto l'UPW sia diverso dall'acqua potabile, l'Agenzia per la protezione ambientale degli Stati Uniti fissa il limite del cromo nell'acqua potabile a sole 0,1 parti per milione. Ma per l’UPW di grado semiconduttore, il limite è di 2 parti per trilione: 50.000 volte meno!

Quando si pensa alle dimensioni coinvolte nella produzione di semiconduttori, i rigorosi standard UPW hanno perfettamente senso. La dimensione delle caratteristiche incise sui wafer di silicio varia in base al nodo del processo, ma i processi attuali possono essere facilmente uccisi da una particella di soli pochi nanometri di diametro. In scala, una particella di coronavirus è dell’ordine di 100 nm. Il controllo del particolato nell’UPW può essere complicato, soprattutto perché le particelle possono provenire da qualsiasi punto delle tubazioni, dei serbatoi, delle pompe e delle vasche dei prodotti chimici utilizzati nel processo di purificazione.

Le particelle non sono gli unici contaminanti da trattare. Mentre le superfici lisce e pulite delle apparecchiature UPW di una pianta favolosa potrebbero sembrare un luogo inadeguato in cui la vita possa prosperare, i batteri hanno una comprovata capacità di colonizzare anche le nicchie ecologiche più improbabili. I biofilm possono rappresentare un grosso problema per i sistemi UPW e possono formarsi ovunque sia consentita la raccolta dell’acqua. I biofilm possono contribuire sia alla contaminazione da particolato che al carbonio ossidabile totale (TOC, ovvero carbonio organico totale), che è essenzialmente costituito dai resti di batteri morti.

A parte il particolato e il TOC, gli altri principali contributori alla contaminazione da UPW tendono ad essere sostanze solubili in acqua, come minerali e gas. Il sodio è una grande preoccupazione, soprattutto perché tende ad essere un indicatore importante di problemi nelle resine a scambio ionico utilizzate per elaborare UPW – ne parleremo più avanti. Anche i silicati rappresentano una preoccupazione, così come i gas disciolti: l'ossigeno è altamente reattivo e può facilmente ossidare gli strati metallici necessari per costruire un chip, mentre l'anidride carbonica si dissocia facilmente in acqua per formare acido carbonico, che aumenta la conduttività dell'acqua ed è dannoso ai processi wafer.

In poche parole, l'acqua che verrà utilizzata per costruire i chip deve essere il più vicino possibile alla "semplice acqua". Ottenere questo risultato, però, richiede uno sforzo notevole. E non è solo la purezza, è anche il volume. Una fabbrica di semiconduttori utilizza una quantità sbalorditiva di UPW: da due a tre milioni di galloni (7 – 12 milioni di litri) al giorno. Costruire processi in grado di purificare così tanta acqua rispettando requisiti così rigorosi, mantenerla a quella purezza finché non è necessaria e riciclarla ove possibile è una sfida enorme.