超纯水中的溶解气体及其测量

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2021-09-23   环球过滤分离技术网   nanopuretech6

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°C水中通常含有8.5 ppm溶解氧和14.5 ppm的溶解氮。

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。


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0.1-1.0 ppb。

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）
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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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