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罗门哈斯AMBERJET UP6040离子交换树脂在半导体超纯水制程中的作用。

AMBERJET UP6040是一种专门为了用于最高纯度的水处理系统中的终端精制器所设计,制造生产的半导体级混床离子交换树脂。此预先混合的产品是由依当量平衡比例的高交换容量,完全再生的凝胶型强酸阳树脂及强碱阴树脂所组合的。这些树脂是经由罗门哈斯公司专利的喷射制程(jetting process)所生产的具极佳的物理及化学稳定性的均一颗粒型树脂。二种树脂颗粒大小的分布是经过特别设计,以避免当树脂与水搅拌时,阳阴树脂因为重力的不同而分离。如此的设计,可确保终端精制塔内的混床树脂是完全混合的,并发挥最佳的交换平衡效益。均一颗粒的特性使得树脂加强了混床树脂的离子交换速率,使得树脂可操作于较高的采水流量,并达到压差及纯度的最佳平衡点。上述的特点,使得此树脂可在消耗最少的清洗水情形下,得到最高纯度的纯水。

 

AMBERJET UP6040是因应使用于半导体产业的超纯水系统,及其它类似用途的需求,所特殊设计的不再生型终端精制混床树脂。此树脂的使用,使得所有种类的离子,如二氧化硅、TOC及次微米颗粒浓度等的泄漏量,进入了新的纪元。由于是不再生型,此新种类的半导级混床树脂不会受到再生系统的影响,并可在采水中发挥最佳的特性。AMBERJET UP6040并不建议用于可再生的混床系统中。

 

应用及特性:

在半导体厂内的超纯水处理系统是一庞大的,复杂的系统,并包含了许多不同的单元,而整个系统的功能及设计主要是为了得到超高的超纯水。虽然没有任何单一的单元可以确保最终的采水水质,但是终端精制混床是超纯水在接触到半导体芯片前的最后一道化学精制的处理程序,其重要性是不可忽视的。不像对化学物质呈现惰性的管路及过滤材料,离子交换树脂是带化学性反应的聚合物,所有的待处理水会完全的通过树脂,因此精制混床树脂是除去微量化学污染物质的最后一道防线。除此之外,这些树脂不能释出任何物质,进而污染到不能间断的超纯水供水系统。因为这些严格的条件,终端精制混床树脂必须是最高的品质,且同时必须是正确的被使用的。

 

 

终端精制的设计概念:

现今的超纯水讨论的是兆分之一(ppt)不纯物的范围,在如此的严格的要求下,终端精制混床树脂的设计是没有任何弹性的。此终端精制混床树脂的使用必须确保除去所有的不纯物,例如前端制程所可能导入的再生剂化学残余物质等。在水力的设计上,必须确保采水周期时水流分布是均匀的,同时压差及离子交换速率也必须是平衡的。此最终精制的效能,必须是在可信赖的设备及可负担的成本考量下被确保的。整个系统必须是精简的、易操作及不容易故障的。大部份的超纯水系统工程师及供货商会考虑使用不再生型的终端精制混床树脂来达到上述对最后精制系统的要求。而AMBERJET UP6040正是完全符合这些要求的最佳选择。在正确的不再生精制器的设计及操作下,AMBERJET UP6040树脂可以符合成本、效能、使用寿命等的要求及最重要的可信赖性。

 

工作交换容量:

与一般的离子交换树脂应用相比较,交换容量在超纯水系统的终端精制混床应用上并不是最主要的因素,因为精制混床的入水水质所残余的不纯物,应该已是ppb的范围。因此终端精制混床树脂床的设计,是在不超过树脂的离子交换速率范围内,以最大的流量及最少的床体接触时间为主要的参考数据。

 

一般而言,精制混床的入水水质不纯物含量,虽然是相当的低,但却具有极大的变异性(例如某周为2ppb,但次周却为6ppb),因此,工作交换容量的计算无法单纯的以某一数据加以表示。实际的终端精制混床的使用寿命是决定在前端处理单元的良窳,而不是树脂的交换容量。AMBERJET UP6040所使用的阳阴树脂,是在所有类似相同用途的树脂中,已被证实具有最高的交换容量。在采水周期中,终端精制混床树脂会因吸附入水中所含不同种类,如二氧化硅、硼离子、钠离子及碳酸氢盐之类等不易去除的离子,而逐渐饱和。除非入水的不纯物瞬间出现非常高的浓度,其终结(指离子的泄漏)是缓慢发生的。也因此,使用单位必须仔细监控终端精制混床的离子泄漏量变化情形,因为这个变化是非常和缓的。在具有良好的设计及操作条件下,经验显示此终端精制混床树脂的使用寿命可以超过一年以上。但如在入水离子浓度较高的条件下,树脂将因较高的负荷而缩短其使用寿命。

 

流量及压差:

流量是非常重要的设计参数。对终端精制混床树脂而言,体积流量不应低于30BV/h 3.8gpm/ft3)。在流量高达50BV/h 6.3gpm/ft3)的操作条件下,也是经常所采用的设计,且证明可得到极佳的结果,在某些系统,所设计的流量更是略高过此数据。因此最佳流量的设计是由具经验的超纯水处理系统制造商,依系统的供水纯度要求及工程参数之间,折衷权衡后所获得的选择。而AMBERJET UP6040可以满足这些设计中,对终端精制混床树脂的所有要求。流量同时是决定压差的主要参数,AMBERJET UP6040在一般建议流量参数间的压差情形,请参考所附图表如下。请注意,在此图表中,流量是以线性流速所表示的,进而决定压差的大小。建议精制混床树脂的床深约为1米。

 

TOC

AMBERJET UP6040的制造过程中,已严格的控制并减少从树脂内所释放出的TOC总量。虽然使用了纯净的、预先混合及不易分离的超纯水等级的离子交换树脂,但是由于储存、运送、树脂的拿取及加载桶槽等程序,仍会造成采水初期短暂的TOC泄漏释出。在适切的储存及正确的树脂拿取及加载程序下,此TOC的释放并不会持续太久的时间。大部份的情形下,AMBERJET UP6040可在6个小时的清洗时间内,将TOC的泄漏量减少至1.0ppb以内。

 

然而终端精制混床的TOC泄漏量基线,并不只是决定于树脂的纯净程度,且同时受到整个系统的设计及效能所影响。纵使AMBERJET UP6040是无比的纯净,它仍然无法除去非离子性的有机物质。因此,终端精制混床的效果是由树脂的纯净度及置于精制混床前的有机物氧化单元(如紫外线束UV light等)的效能所综合得到的。紫外线束必须将水中的有机物质,加以氧化使其成为带负电价的离子,然后后续单元的混床才能将其吸附去除。为了使精制混床发挥TOC的去除效果,前置的紫外线设备必须是正确的设计、保养并不得过载操作的。

 

同时必须注意,所有氧化有机物质的设备单元,也会在超纯水流程中产生氧化物质。这些如氧(O2)、臭氧(O3),过氧化氢(H2O2)及如羟基等的自由基,在具极高能量的紫外线设备中,甚至可经由直接的接触而产生。因此,在整体系统的设计上,必须小心注意并应尽量减少这些氧化物质进入到终端精制混床内。这些氧化物质会氧化混床树脂,并造成化学特性的变化。遭氧化的树脂初期会呈现离子交换速率的衰退,并逐渐的释放少量的TOC。如果氧化情形变的很严重时,TOC将会开始大量的泄漏,甚至于树脂的颗粒碎片都可能被排出于桶槽。虽然AMBERJET UP6040已经选用了具抗氧化性的树脂,但它们并不是绝对的抗拒氧化,也因此长时间的曝露在氧化物质的环境下,树脂的有效寿命将会减短。

 

离子的泄漏:

AMBERJET UP6040及其组成树脂均经过后处理程序,充份的再生,以确保对各种的离子种类而言,均为最少的离子泄漏量。这些氢型及氢氧型树脂均具最高的再生比率,在经过独立的实验室检测AMBERJET UP6040的采水水质,所有的离子种类浓度之低,已超过该实验室的检测能力,因此所有的检测数据均为空白。该实验室的检测基线泄漏量,大部份的离子种类均为个位数的兆分之1ppt)。而在如此低范围的离子层析分析(ion chromatography analysis)下,,AMBERJET UP6040的二氧化硅泄漏量通常是低于50ppt。在实际使用上,类似或更低的数据是常见的。然而我们仍然必须强调对超纯水的规范而言,树脂的实际效能仍然是视个别单元的设计、安装及操作而有所不同。因此虽然在树脂的产品数据中,树脂的纯净程度是如何的被强调,想依此系统中的单独一个树脂单元,即给予保证整个水处理系统的最终产水纯度郄是不可能的。但AMBERJET UP6040已然表现了在超纯水处理系统中的最佳效能,也保证此树脂不会限制了整体系统的功效。

 

颗粒泄漏:

AMBERJET UP6040是用于超纯水系统中第一个减少颗粒泄漏量的树脂,其概念与多年来描述树脂的颗粒大小及细微粒(fines)的定义是有所不同的,而是与树脂表面上次微米(sub-micron)的细小颗粒有关。这对树脂的制造而言,是一个相当新的概念,因为必须让树脂表面保持非常的平滑、干净,同时防止因树脂的相互磨擦,所造成的剥落情形。在此概念下,AMBERJET UP6040的组成阳阴树脂,在颗粒聚合的生产开始阶段时,即开始控制减少树脂表面次微米颗粒的释放。

 

虽然AMBERJET UP6040仍然不是完全没有颗粒的释放,但相较其它用于类似用途的树脂,它已经是大幅减少颗粒的排放。虽然系统中的终端过滤器仍然是确保超纯水产水中,不含任何颗粒的主要单元。AMBERJET UP6040的使用将大幅减少在新树脂采水初期,大量颗粒释放所产成的过滤器瞬间负荷。较少终端精制混床树脂颗粒的释放,表示终端过滤器较长的使用寿命及较佳的过滤效果。

以上图表显示AMBERJET UP6040与其它的均一树脂在颗粒泄漏量的比较。

 

二氧化硅及硼离子:

在超纯水处理系统中,控制二氧化硅及硼的泄漏量是非常的具挑战性,因为这些物质并无法有效的以膜管过滤器加以滤除。虽然强碱阴离子交换树脂可以去除二氧化硅及硼离子,但如果它们是存在水中的话,将会是在超纯水系统中,最先由混床精制器中泄漏出来的离子。而AMBERJET UP6040将会让采水中的二氧化硅及硼离子泄漏量低于所有检测设备的最低测量值。然而,当此二者离子,穿越了超纯水处理系统的前置处理部份,形成终端精制混床的负荷时,树脂仍然会因离子的吸附而饱和终结。因此,为确保精制混床的效能及最长的使用寿命,在上述的离子抵达终端精制混床前,应尽可能利用前处理单元,将浓度减少到最低的程度。二氧化硅及硼离子可以利用进入终端循环系统前的可再生初级混床加以有效的去除。但如果这个初级混床是经常的过载操作而超过二氧化硅及硼离子的终点泄漏值,终端精制混床树脂的使用寿命将会大幅的减短。因此,最好的建议是小心的控管初级系统的二氧化硅及硼离子的泄漏量,而非尝试以终端精制混床树脂除去这些物质。

 

操作温度:

温度是另一个影响终端精制混床树脂效能的重要参数。对混床而言,较高的操作温度将会造成二氧化硅及TOC的泄漏量增加,同时亦可能造成较高的硼离子泄漏。由于使用具高能量的氧化TOC紫外线束设备,进入终端精制循环系统的水温会因此而提高。为了从终端精制混床得到最佳的采水水质,将水温维持在低于摄氏25度是非常重要的。终端精制混床是可以工作在较高的水温,但也会因此而造成较高的离子泄漏量及较短的使用寿命。在已操作一段时间的精制混床中,当入水水温瞬间上升时,常会造成明显,可监测的TOC或二氧化硅泄漏量提升。这现象类似树脂的终结,但实际上郄是肇因于较高入水水温所造成的平衡转移现象。

 

质量保证:

罗门哈斯公司针对AMBERJET UP6040测试了电阻值、总有机碳值及离子交换速率的特性,保证每批次的AMBERJET UP6040均能符合生产超纯水所需要非常严苛的特性参数,并可满足使用单位的需求。上图为罗门哈斯公司针对AMBERJET UP6040的质量管理程序测试程序,所得到典型的TOC及电阻值曲线。