【技术】制药工业、半导体工业等超纯水应用中的气体测量及溶解氧的重要性

时间： 2023-08-01 来源：誉琰科技官网

对于超纯水没有一个固定的定义，因为超纯水的要求是由最终使用者的应用要求决定的。然而对任意一个最终用户来说，一些要求是非常重要的，包括检测和控制细菌扩散，微粒子污染，有机感染（典型的是总有机碳测量），金属和阴离子感染。

这些不同的感染物取决于生产超纯水的水的质量和传送水的管道材料。超纯水中的溶解氧可以供微生物的生长和扩散。因此为最大限度的降低超纯水有机生物感染的概率，除去水中的溶解氧就很有必要了。

超纯水应用领域

半导体工业
制药工业
生物科技
实验室

在超纯水应用中需要测量什么气体？

1、溶解氧；

2、溶解臭氧；

3、溶解氢和氮；

在超纯水应用中为什么要测量溶解氧和溶解臭氧？

1、减少超纯水中的有机感染物。

2、增加半导体的产出。

3、在臭氧化过程之后，由于臭氧是应用中的不想要的感染物，所以必须被保持在一定浓度以下。

关于水中的溶解气体：

无论何时气体接触到液体，都会试着溶解进液体，气体的溶解量与气体与液体的差压成线性关系。当环境中的气体接触到水气体便趋于溶解进液体。大气由约占79%的氮气和21%的氧气，和其他微量气体组成，谁暴露在大气中将包含这些气体。在1个标准大气压，25℃水中通常含有8.5ppm溶解氧和14.5ppm的溶解氮。

超纯水在制药工业中的应用

在制药工业中，超纯水在生产过程中被用作产品的一个部分。微生物，病原体，生物膜和孢子非常有害，因此必须要消除。为降低扩散风险，在生产过程中和制药车间的清洁中，超纯水被用于杀菌和注射。超纯水需要除去水中的微量氧，为确保氧浓度降低到一个可以接受的限度，就需要高精度的测量设备。

超纯水在半导体工业中的应用

在半导体工业中，超纯水被应用于化学处理过程的化学冲洗的很多生产步骤。在生产过程中，为消除感染物，准备生产处理所需要的表面，晶片通常需要被充分的清洗。取决于产品类型的不同，这些水处理过程可以被看做整个生产处理过程步骤的三分之一。一个典型的晶片厂每个月生产4万个晶片，每天用掉7到11百万立方的水，其中70%是超纯水。

超纯水的应用如此关键是因为以下几个原因：

- 感染性微生物会在半导体表面造成一个不利的电路，造成短路并形成不能使用的芯片。

- 有机物体留下的微粒会影响生产过程和芯片的质量。

- 过高的溶解氧会潜在的改变已控制的氧化面厚度，进而改变集成电路的电流特性。

晶体热氧化中溶解氧的影响：

半导体生产其中一步是热氧化。在这一步骤中，晶片被高纯化学物提前清洗，然后加热放在扩散炉超纯氧中：会在表面形成一定厚度的氧化膜，这层氧化膜非常重要，以便确保半导体根据需要的标准进行电流传送的能力。当放入水中，溶解氧使得晶片的氧化膜厚度增加，因此必须把溶解氧浓度降低到一定范围。当芯片晶体管密度增加，晶体管间宽度减少，水质要求就变得尤其重要。常规的微型芯片被装进越来越小的设备中，给生产商带来了越来越多的挑战，包括提供关键的超纯水。过去几年里，工业技术的发展速度如此之快，纯净要求也不断的重新修订以尽量减少产后问题。因此发展趋势是减少超纯水中的有机和无机感染物，保持溶解氧浓度范围在0.1-1.0ppb。

在半导体工业中典型的超纯水处理系统设计遵循以下步骤（如下图1）：

超纯水中氧气测量

超纯水的生产过程包括化学卫生处理（通常在制药工业中），超纯过滤（在半导体工业中居多），管道系统设计臭氧化和最优化。

典型地，根据需要的超纯水质不同，城市用水需要一系列净化处理步骤，包括大颗粒过滤，碳过滤，水软化，反透析，紫外线照射，增泽和最后超纯过滤。一些系统用弯曲环把水回流进储藏位置，以供不断循环，然而其他一些从超纯水生产到使用都采用无回路系统。

传统的超纯水中除氧方法是用一个真空除气器（图1）。原理是用一个真空泵抽出水里面的气体。传感器就是在这时用来测溶解氧浓度，验证这一步的有效性。

在除气之前，通常溶解氧浓度在1个ppm以下，20ppb左右或更低。经过脱气去离子后，超纯水就需要准备好了。传感器需要在这一步测量，以便证实溶解氧浓度足够低。（1ppb或更低）

超纯水中臭氧测量

臭氧是一种超强氧化气体，用于杀菌和纯净超纯水，消除微生物感染。在半导体工业和制药行业中，臭氧化在超纯水生产过程中被越来越广泛的应用，当应用在半导体工业的时候，臭氧化通常在超纯水存储之前进行。

半导体工业中的典型臭氧化过程（如下图2）

用一个臭氧机把氧转换成臭氧。然后臭氧会接触并溶于水。通常浓度在5到50个ppb不等。然后需要被从水中除去。当净化完成后，紫外线被用来消除臭氧。由于臭氧在几分钟便可还原成氧并因此增加氧浓度，所以在这一环节剩余臭氧浓度越低越好。

超纯水中氮气和氢气测量

在超纯水生产过程中，氢气被用来中和溶解氧。因此需要在生产过程中测氢。通常水中含有溶解氮气。氮气有时候需要被测量，因为在一些工业应用中氮气会是不需要的感染物。

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