Agua ultrapura para electrónica.

Los sólidos suspendidos pueden quedar sobre las obleas de silicio, lo que interfiere con la funcionalidad de los circuitos integrados, esto obstruirá el funcionamiento de las conexiones eléctricas o creará rutas de conducción incorrectas y no deseadas.

En procesos de fotolitografía para la producción de microchips, la presencia de solidos podría causar defectos sobre el patrón al bloquear la luz ultravioleta o al actuar como centros de nucleación para reacciones químicas no deseadas.

Si las partículas son conductoras o semiconductoras, pueden crear caminos de fuga entre las interconexiones o los transistores, resultando en cortocircuitos o cambios en las características de resistencia.

Además pueden causar ralladuras en la superficie de la oblea durante el proceso de limpieza o durante el procesamiento, dañando las estructuras del circuito o creando puntos defectuosos que afectan la integridad del microcircuito.

Para evitar la presencia de partículas que están suspendidas se utilizan filtros de cartucho que sean de construcción duradera como los cartuchos de fibras de polipropileno que pueden mantener la presión inicial del flujo. En los filtros de cartucho los sólidos son retenidos físicamente sobre el área superficial del material filtrante. Con el tiempo, a medida que el cartucho del filtro se llena de partículas retenidas, su capacidad para retener las partículas contaminantes de manera eficaz disminuye. Por lo tanto, es necesario reemplazar el cartucho periódicamente para mantener un rendimiento óptimo.

En el agua existen elementos orgánicos que si no son removidos pueden adherirse a las obleas de silicios provocando reacciones químicas indeseadas que pueden alterar las características eléctricas de los dispositivos.

La presencia de capas orgánicas puede disminuir la adhesión entre las películas delgadas depositadas y las obleas de silicio, llevando a pelado y fallas de los dispositivos. Mientras que la presencia de cloro puede causar la oxidación no controlada de materiales sensibles, especialmente metales usados en los circuitos integrados. El cloro y las cloraminas pueden ser corrosivos para los componentes metálicos utilizados en los equipos de fabricación y pueden afectar la integridad de las películas delgadas metálicas en los dispositivos.

La existencia de contaminantes puede llevar a un aumento en la inspección, reprocesamiento o descarte de obleas defectuosas por fallas prematuras, por eso se aconseja el uso de carbón activado para que, a partir de sus características químicas, adsorba contaminantes orgánicos y químicos no deseados.

Este proceso aprovecha la gran superficie porosa del carbón activado para adsorber y retener una amplia gama de compuestos orgánicos, así como cloro y cloraminas. La adsorción de cloro del agua es necesaria para evitar que este compuesto y sus subproductos lleguen a los sistemas de ósmosis inversa y desmineralización que son de gran importancia para la obtención de agua ultrapura. Pues en el caso de la ósmosis este químico puede dañar la membrana volviéndola menos eficiente para retener sales y minerales, mientras que en los suavizadores las resinas pueden verse afectadas por los subproductos de desinfección pueden alterar el proceso de intercambio iónico.

El agua con altas concentraciones de minerales como el magnesio y el calcio es poco idónea para uso en la industria electrónica pues ya que puede obstruir los patrones finos y las estructuras de los chips y otros componentes, ya que las obleas de silicio requieren de altos parámetros de limpieza para no afectar la funcionalidad de los microcircuitos.

Por ejemplo, en los procesos de deposición de vapor químico (CVD) y grabado requieren un control estricto del ambiente para evitar la inclusión de impurezas. Los iones de calcio y magnesio pueden interferir con estos procesos y alterar las propiedades de los materiales depositados o grabados.

No hay que olvidar también que estos iones pueden precipitar y formar incrustaciones en la maquinaria y en los equipos para producción, así como en los posteriores procesos de tratamiento de agua que permiten obtener agua ultrapura.

Para el control de calcio y magnesio el agua pasa por un suavizador que contiene resina catiónica. La resina actúa cuando una solución que contiene iones disueltos pasa a través esta, lo que hace que los iones en la solución se intercambien con los iones en la resina de forma selectiva, esto de acuerdo a sus cargas y afinidades relativas.

La ósmosis inversa es un proceso que ayuda a mantener una calidad constante del agua al remover un espectro más amplio de contaminantes. Sin este paso, la variabilidad en la calidad del agua podría ser mayor, lo que afectaría la reproducibilidad y la consistencia en la producción de componentes electrónicos.

Aunque el agua haya pasado por tratamientos que retiran sedimentos, compuestos orgánicos y minerales, para su aplicación en la electrónica se requiere una filtración a nivel molecular que garantice que no existen contaminantes de este tipo. Esto se logra a partir de la ósmosis inversa la cuál produce un permeado bajo en sales.

Debido a que la ósmosis inversa es una hiperfiltración por la pequeña abertura de sus poros (0.0001 a 0.001 μm) esta puede retener iones residuales, moléculas orgánicas de bajo peso molecular y minerales que puedan seguir presentes en el agua. Esto es gracias a través de una alta presión aplicada a una membrana semipermeable que proporcionan valores de solidos disueltos totales en el agua de 10 a 15 ppm (partes por millón).

El uso de estos equipos es un paso de alta relevancia para obtener al agua con las especificaciones necesarias de conductividad y resistividad que requiere la producción de electrónica.

Los iones son portadores de carga en soluciones acuosas. Cuando más iones están presentes en el agua o en otro solvente, mayor es la capacidad del líquido para conducir electricidad. Esto se debe a que los iones libres se mueven hacia los electrodos opuestos cuando se aplica un campo eléctrico, facilitando así el flujo de corriente. Si el agua con iones residuales se utiliza en la fabricación, estos iones podrían crear caminos conductivos no planeados, llevando a cortocircuitos o fallas eléctricas.

La resistividad es el inverso de la conductividad. Cuando los iones aumentan la conductividad de una solución, simultáneamente disminuyen su resistividad. Una alta concentración de iones implica que la solución tiene una baja resistividad y es más conductora.

El agua utilizada en los procesos de limpieza y enjuague durante la fabricación de dispositivos electrónicos debe estar libre de iones que puedan contaminar las superficies de los semiconductores o los sustratos de los circuitos. Incluso las cantidades minúsculas de contaminantes que quedan después del tratamiento con ósmosis inversa pueden causar defectos en los patrones microscópicos o en las finas capas de material semiconductor.

Para alcanzar la calidad necesaria del agua, se utiliza un proceso de tratamiento con resinas de intercambio iónico mixtas. Estas resinas están compuestas por aniones tipo 1 de base fuerte y cationes de ácido fuerte que funcionan eliminando las impurezas iónicas del agua a través de un proceso de intercambio iónico que reducen el valor de solidos disueltos de 10 a 15 ppm del agua de la ósmosis a prácticamente 0.

Los sistemas de electrodesionización combinan las capacidades del intercambio iónico a partir de resinas que sirven como conductores de iones, utilizando un mecanismo que se beneficia de la aplicación de una corriente eléctrica continua. Esta corriente facilita la migración de los iones, con los cationes moviéndose hacia el cátodo y los aniones hacia el ánodo. Las membranas ion-selectivas, dispuestas entre las resinas, solo permiten el paso de tipos específicos de iones, facilitando así la separación efectiva de los contaminantes del agua. A medida que los iones son movidos hacia y a través de las resinas, se liberan protones (H+) y grupos hidroxilo (OH-) en el agua, que se combinan para formar agua pura.

Una característica distintiva de los sistemas EDI es su capacidad de regeneración continua de las resinas. Durante el proceso de electrodesionización, las resinas se regeneran constantemente por la propia corriente eléctrica, evitando así la necesidad de intervenciones químicas periódicas. Este proceso de regeneración continua es posible debido a que los iones de hidrógeno y los grupos hidroxilo generados localmente en las resinas intercambian iones con los contaminantes ionizados (como los cationes y aniones), restableciendo la capacidad de intercambio de la resina y manteniéndola activa para el proceso de desionización.

Un sistema tipo EDI puede ser instalado en la parte final del proceso de tratamiento de agua ultrapura posterior a la ósmosis inversa. La electrodesionización puede sustituir los lechos de resina mixta para desmineralizar el agua, pues ofrecen de igual forma un agua con alta resistividad y pureza para aplicaciones en el campo de la electrónica. El uso de un sistema EDI evita el empleo de químicos para la regeneración de las resinas, optimizando el funcionamiento y reduciendo los costos y el impacto ambiental asociado con el manejo de sustancias químicas.