La production d'eau ultrapure stérile dans les industries micro-électroniques

, Directeur Général FILTRO S.A.

INTRODUCTION

De nos jours, les ateliers de production en industrie micro-électronique ressemblent à des salles d'opérations chirurgicales sur le plan des conditions d'hygiène : lumière diffuse, air conditionné à débit laminaire, personnel avec masques, gants, et vêtements stériles,... Des conditions de propreté aussi strictes sont essentielles pour se prémunir de la poussière ou autres micro-particules habituellement charriées dans l'air, sur les vêtements, sur la peau, ou par l'haleine du personnel. Elles sont donc indispensables pour éviter la contamination soit des micro-circuits en cours de fabrication, soit de l'eau ultra-pure stérile produite pour rincer les composants pendant la préparation des plaquettes de silicium.

Les normes standard de pureté et stérilité de l'eau ultra-pure servant au rinçage des plaquettes sont les suivantes :

• — résistivité : 18 mégohms-cm à 16 °C.
• — pH : neutre.
• — bactéries : 0 colonnie/ml.
• — matières colloïdales : aucune.

Dans le passé, la qualité bactériologique était assurée par l'utilisation des rayons ultra-violets, ou par le chauffage à haute température. Ces techniques traditionnelles sont devenues inacceptables par leur coût d'exploitation élevé dû aux consommations électriques ; c'est pour cette raison qu'ont été développées les techniques physiques à membrane.

En particulier, le développement des techniques des membranes d'osmose inverse (R.O.) au cours des 5 à 10 dernières années a été très rapide. Désormais, tout problème de stérilisation, dans quelque industrie que ce soit, doit toujours être abordé en incluant les techniques d'osmose inverse (R.O).

Dans cet article, nous développerons en première partie les différentes caractéristiques des membranes (R.O), et en seconde partie, un exemple concret où l'osmose inverse a joué un rôle primordial dans l'obtention d’une qualité d’eau ultra-pure stérile.

I. — CARACTÉRISTIQUES DES MEMBRANES (R.O)

1. — Importance de l'osmose inverse (R.O) dans l'élimination des impuretés moléculaires.

La figure 1 illustre parfaitement l'importance évidente des techniques d'osmose inverse dans l'élimination des impuretés.

En regardant l’échelle de lecture, on s’aperçoit que la plage d’action de l’osmose inverse est la plus étendue.

— l’efficacité théorique de 100 % est admise sur les levures, les bactéries, les virus et les pyrogènes. En pratique, l’efficacité n’est que de 99 % sur les matières organiques, car certaines d’entre elles présentent des poids moléculaires inférieurs à 300 (seuil approximatif d’élimination de l’osmose inverse).

— une efficacité partielle, mais non négligeable est mise en évidence sur le tableau de la figure 2 pour la minéralisation de l’eau. Les pourcentages indiqués dans ce tableau représentent les taux résiduels des différents ions par rapport à l’eau brute lorsque le module d’osmose inverse est neuf (initial) ou après quelques mois d’exploitation (normal).

Toujours d’après l’étude de la figure 1, nous pouvons remarquer qu’aucune autre des techniques de purification d’eau (sans changement d’état pour celle-ci) ne comporte une plage d’activité aussi grande que l’osmose inverse.

2. – Caractéristiques principales de l’osmose inverse

Le mécanisme de l’osmose inverse a été de très nombreuses fois expliqué par différents auteurs. En réalité, le mécanisme de rejétion physique des bactéries est encore mal connu, mais sur le plan de l’élimination des ions, le principe de solubilisation-diffusion est le plus acceptable.

Actuellement, la fabrication des membranes d’osmose inverse est réalisée à partir de deux types de constituants principaux : soit des acétates de cellulose, soit du polyamide nylon. À partir de ces constituants, dans le souci de présenter une surface la plus grande possible en contact avec l’eau brute, les configurations de membrane à structure plate tendent à disparaître au profit de configurations en spirale et en fibres creuses.

La figure 3 nous montre que dans la configuration en spirale, les deux types de constituants précités peuvent être rencontrés :

— acétate de cellulose : membrane semiperméable fabriquée à partir d’un seul matériau (structure asymétrique) présentant en surface une couche dense (0,2 micron) sur un support plus poreux (100 microns) de même nature (figure 4 a).

— composite de polymères : cette fabrication est très récente (1980) et semble présenter des avantages de construction à base de polyamide (structure très mince : 400 à 1 000 Å) polyfuselé avec un autre polymère à base (polyfluoré) (figure 4 b).

Toujours dans la même figure 3, nous pouvons remarquer que la configuration fibre creuse met en œuvre également les deux constituants de base :

— tri-acétate de cellulose : toujours de structure asymétrique, au moins deux diamètres de fibres existent (figure 5 a).

— polyamide nylon : ces fibres sont les plus fines qui existent avec un diamètre intérieur de 42 microns (figure 5 b).

Les bonnes expériences menées sur ce type de fibres depuis 1974 nous démontrent la résistance de ces matériaux inertes.

Le tableau de la figure 3 nous présente les caractéristiques principales des modules d'osmose inverse en fonction de leur configuration et leur constituant. Les chiffres nous montrent que les modules à base de polyamide, malgré un flux plus faible que ceux à base d’acétate, présentent par ailleurs :

— une densité beaucoup plus importante ce qui réduit leur encombrement ;

— une tolérance de pH bien plus élevée. Ce dernier point est très important à souligner car pour les modules en acétate de cellulose, tout passage d'eau en dehors de la gamme de pH limitée risque de provoquer une dégradation du module par hydrolyse de l’acétate. Il s'ensuit une croissance bactérienne favorisée grâce au constituant organique qu’est la cellulose, et il présente alors des risques de passage de bactéries dans l’eau osmosée.

En face des gros avantages des modules à base de polyamide, le tableau de la figure 3 nous montre leur intolérance particulière à la présence de chlore dans l'eau brute. C'est pourquoi il doit toujours y avoir une protection de ces modules par un système charbon actif.

Dans les prochaines années, nous allons peut-être assister à un développement important des membranes à base de composés de polymères. En effet, celles-ci réunissent de très nombreux avantages :

— tolérance de pH — tolérance au chlore — tolérance de température — finesse du film.

Grâce à ce dernier point, il a été possible, par rapport aux autres modules, de réduire considérablement la pression d'alimentation de l’eau brute. D'ores et déjà, les appareils en service dans les laboratoires (Spectrum R.O., figure 6) fonctionnent directement avec la pression eau de ville.

II. — APPLICATION DE L'OSMOSE INVERSE ET TECHNIQUES DE DISTRIBUTION ET DE MAINTIEN DE QUALITÉ D’UNE EAU ULTRA-PURE STÉRILE DANS UNE GRANDE UNITÉ DE PRODUCTION MICRO-ÉLECTRONIQUE

1. — Conception de principe

Une des plus modernes usines de fabrication des « wafers » en Europe a été construite par la Sté MATRA HARRIS SEMICONDUCTEURS à Nantes (France). Cette usine a exigé une production d'eau ultra-pure stérile avec des normes standard telles qu'elles ont été exposées dans l’introduction de cet article.

Un débit d’environ 20 m³/h répondant à cette qualité, était nécessaire pour le rinçage des « wafers », à une pression de 2,5 bars. Les rinçages s'effectuaient en « cascade », mais le problème de production et de maintien de stérilité de l'eau a été accentué par le fait que cette nouvelle usine a démarré en 2 phases dont la première n'utilisait que la moitié du débit prévisionnel.

Un système classique de grosse chaîne centrale de déminéralisation avec stérilisation U.V. en ligne, et sans possibilité de récupération, a été écarté pour des raisons relatives à la limitation de l’alimentation en eau brute. Il était essentiel de réduire de moitié la consommation d'eau en conservant une petite centrale de production qui alimente les unités locales de recirculation destinées chacune, à plusieurs postes de rinçages cascades dans les salles blanches de fabrication. Le taux de récupération de l'eau utilisée aux rinçages a été ainsi optimisé à environ 70 %.

La Sté M.H.S. a pris contact avec le groupe ELGA réputé pour ses réalisations en micro-électronique, faisant appel aux techniques d’osmose inverse et de recirculation sur des eaux organiquement chargées. Ces techniques ont été appliquées dans diverses régions d'Europe et notamment en Écosse, Irlande, Portugal et Angleterre, où la sécheresse de 1976 a largement contribué au développement des unités de récupération.

La réalisation du traitement de l'usine M.H.S. de Nantes s'est faite en collaboration avec FILTRO S.A., société française, associée au groupe Elga.

Le traitement se compose de 3 phases :

— 1re phase : Traitement primaire par osmose inverse, où les Intercept R.O sont utilisés pour contrôler en premier lieu les bactéries et matières organiques.

Afin de réduire les coûts d'investissement liés au nombre des modules d’osmose inverse utilisés, un système de préchauffage de l'eau d’alimentation à 25 °C a été installé.

— 2e phase : Déminéralisation sur lits mélangés (10 à 15 mégohms·cm) par ELGAMAT MONO régénérable in situ de l'eau osmosée prédéminéralisée provenant de la première phase.

Les lits de résines ainsi que la boucle de distribution (DN 50) qui compose la seconde phase, sont soumis à une recirculation permanente d'eau sous pression afin de prévenir les risques de prolifération dus à la stagnation.

Outre l'excellente résistance mécanique des résines cationiques utilisées, le choix de résines anioniques macroréticulées, fortement poreuses, permet de fixer certaines matières organiques et bactéries aisément déplacées lors de la régénération.

— 3e phase : Polissage et recirculation sur barils échangeurs d’ions.

La boucle de distribution du second étage alimente en eau ultra-pure 4 unités de recirculation.

Chaque unité de recirculation est un ensemble modulaire prémonté se composant de :

• une cuve fermée stérile,

• une pompe de recirculation.

• sept barils de polissage sur lit mélangé : après épuisement, ces barils sont remplacés par des barils neufs, selon un programme d'échange préétabli, et régénérés dans notre station centrale de Lyon, où nous garantissons la qualité de l'eau produite.

• Filtres 0,65 micron.

• Instrumentation de contrôle qualité.

Les barils produisent une eau d'une qualité de 18 à 20 mégohms-cm, distribuée sous pression aux diverses salles de service (chase), où elle subit une filtration sur membrane 0,22 micron avant d'alimenter les rinçages cascades situés dans les salles blanches.

Selon le principe de recirculation en circuit fermé, l'eau est constamment maintenue en mouvement sans variation importante de vitesse aussi bien au niveau des cuves que des canalisations. Pour chaque unité le retour de l'eau polluée provenant des rinçages se fait par gravité jusqu'à la cuve fermée stérile.

À chaque passage, l'eau polluée par les rinçages est efficacement retraitée au niveau des barils par adsorption et échange d'ions.

Avec un tel système, les 20 m³/h initialement demandés ont été réduits au niveau de la station centrale de production à 10 m³/h, car chaque unité de recirculation permet de récupérer 70 % de l'eau ultra-pure qui l'alimente.

La perte totale en eau trop polluée irrécupérable ne dépasse pas 3 m³/h.

L'installation fonctionne depuis novembre 1980 selon les normes de qualité requises moyennant :

— un nettoyage bimensuel des modules d’osmose au moyen d'une solution ELGA spécifique aux membranes fibres creuses polyamide Dupont B9 ;

— une régénération hebdomadaire des désioniseurs ELGAMAT régénérables in situ ;

— un échange des barils tous les 2 ou 3 mois.

Nous recommandons également tous les 3 mois environ un programme de désinfection préventif des 500 m de canalisation qui constituent le réseau à l'aide d'une solution à 1 % de peroxyde d’hydrogène. Cette opération s'accompagne du remplacement des micro-filtres.

2. Désinfection du réseau de canalisation à l'aide de peroxyde d’hydrogène

Au cours de l'opération de désinfection, barils et microfiltres sont by-passés et chaque cuve de recirculation partiellement remplie à l'aide d'une solution de peroxyde d’hydrogène à 30 % (port obligatoire de lunettes de sécurité, gants et utilisation de vide tourils).

Après avoir dilué à 1 %, recirculer cette solution pendant une heure au travers des cascades et de la canalisation de retour gravitaire où l’on suppose rencontrer les vitesses de circulation les plus basses de l'eau ultra-pure.

Rincer la solution de peroxyde d’hydrogène à l'égout. Lorsque la concentration atteinte n'est plus que de 100 ppm (ELGA est SM.81 oxalate de potassium et titanium), replacer les microfiltres.

À partir de 5 ppm remettre en service les barils. Correctement mis en œuvre, ce procédé est préféré à celui utilisant le formol et l’hypochlorite de sodium compte tenu de la rapidité de rinçage.

3. Considérations pratiques concernant l’élimination de l'air dans les systèmes de recirculation et récupération

La réussite technique du système sur le plan bactériologique est essentiellement due à :

— l'utilisation de l’osmose inverse ;

— la mise en œuvre de barils de lits mélangés de faible capacité (65 litres de résine) traités à un haut niveau de régénération ;

— la conception et la réalisation du circuit fermé de recirculation telles que décrites ci-après.

3.a. Conception des cascades en vue de l’élimination du contact avec l'air

• Un manque d’attention dans la conception des cascades risquerait d’augmenter la surface de contact air-eau de façon inutile, ce qui se traduirait par une diminution de la qualité de l'eau.

La figure 10 montre une cuve de rinçage cascade dont la conception permet de réduire les fluctuations de niveau et, par conséquent, les entrées d’air.

On considère en général qu’il est essentiel de couvrir au moyen d'un couvercle acrylique les rinçages cascade finaux, de façon à éviter que le flux d’air laminaire qui balaye tangentiellement la surface de l’eau ne cède du CO₂, qui diminuerait la qualité de la résistivité.

L'utilisation d’azote au niveau des rinçages cascade nécessite certaines précautions. En effet, son utilisation présente le risque de formation de gouttelettes et la création de tourbillons susceptibles de perturber l'écoulement laminaire de l’eau (voir figures 11 et 12).

Si l'on considère que l’interface air-eau est la plus exposée aux impuretés, la présence de turbulences risque de les faire pénétrer au cœur même du rinçage.

À de nombreuses reprises, nous avons constaté que sans couvercle, la théorie selon laquelle l’utilisation d'un flux d'azote préserve la stérilité de l’eau ultra-pure et évite la dissolution du CO₂ atmosphérique n'est pas entièrement fondée.

⇾ Rinçage laminaire ⇢ couvercle acrylique

→ Distribution d’azote (N₂)

←

En effet, sans couvercle, et compte tenu de l’importance du flux laminaire d’air, la couche d’azote se trouve considérablement réduite.

La faible épaisseur de cette couche d’azote associée aux turbulences existantes au-dessus du rinçage offre la possibilité à des particules d’eau d’être entraînées au travers des matelas d’azote et d’être contaminées par le CO₂ atmosphérique avant de retomber dans le rinçage.

D’ailleurs, lorsque l’alimentation d’azote est en service, on ressent de légères éclaboussures si l’on place sa main à proximité.

Afin de compenser au niveau des chaînes de cascades les variations de débit et de pression, des systèmes d'équilibrage doivent équiper l’alimentation de chaque cuve.

3.b. – Conception du réseau de tuyauterie en vue de l’élimination de l’air

• • Sur le réseau d’alimentation, les points de consommation les plus faibles seront desservis si possible les premiers, afin de conserver des canalisations pleines d’eau.
• • Le système d’alimentation en eau d’appoint du circuit de recirculation peut varier d'une usine à l’autre ; mais il est essentiel que le niveau d’eau dans les cuves fermées stériles soit identique à celui des bacs de rinçage cascade, afin d’éviter le contact de l’air.
• Chez M.H.S., il s'est avéré nécessaire de mettre en place une colonne d’équilibrage compte tenu que le local de pompage et la « salle blanche » se situent à deux niveaux différents.
• • Les diamètres de canalisation doivent être calculés de façon à obtenir une vitesse d’écoulement de 2 m/s.
• • Éliminer les « bras morts », n’utiliser que des

tuyaux ABS ou PVC, des coudes à grands rayons et des réductions type « Tulipe » afin de prévenir le développement des micro-organismes dans les zones à faible débit.

• ● La conception du réseau de récupération pose toujours quelques problèmes étant donné les fluctuations d'utilisation (ou extension d'usine). Il est nécessaire dans ce cas, de trouver des solutions de compromis dans le choix des diamètres de tuyauterie en vue de maintenir toujours la canalisation pleine d'eau.

Dans ce cas, une pente de 1 % a été retenue pour le réseau de récupération. Des purges d'air ont été mises en place aux points les plus hauts de l'installation pour faciliter l'élimination de l'air introduit dans les canalisations lors des opérations de désinfection.

4. - Filtres bactériens

Les unités de recirculation sont équipées de microfiltres 0,6 micron, à haute capacité de rétention.

Dans les salles de service ont été mis en place des filtres nylon « type électronique » de 0,2 micron.

CONCLUSION

Nous avons décrit comment, sur une grande échelle, une installation de traitement d'eau permet d'atteindre un degré de pureté pratiquement absolue, en utilisant uniquement des contrôles physiques à températures ambiantes.

L'idée selon laquelle il est indispensable d'associer la stérilisation U.V. aux techniques d'échange d'ions ne semblerait donc plus se justifier.

La nécessité d'un tel système repose sur les détails suivants :

• — application correcte de l'osmose inverse,
• — utilisations de petites cartouches échangeuses d'ions,
• — recirculation permanente de l'eau traitée,
• — élimination du contact air-eau,
• — bonne exploitation de l'installation (désinfections de routine, régénérations régulières des échangeurs d'ions).

Lors de ces dix dernières années, nous avons assisté à une réduction considérable de l'espace séparant les micro-circuits supportés par les plaquettes :

1973 : 5 microns, « 1 K chips » —1980 : 1 micron, « 64 K chips ».

Il est certain qu'au cours des dix prochaines années, si l'eau est toujours utilisée comme solvant, les spécialistes du traitement d'eau devront mettre au point de nouvelles techniques membranaires permettant de rincer des espaces submicroniques, afin d'aider au développement des « 4 Megabit chips », indispensables à l'essor de la robotique.