Derin Okuma — Ultra Saf Su

Musluk suyu neden iletken

Bir yarı iletken fabrikasının içinde, tavandan sarkan yüzlerce turuncu PVDF borudan geçen sıvıyı düşün. Musluktan akan suya benziyor. Kokusuz, renksiz, berrak.

Ama bir fark var. Musluk suyu elektriği iletir. İçinde çözünmüş iyonlar vardır. Kalsiyum, magnezyum, sodyum, klorür. İyonlar elektrik yükünü taşır. Oysa bu borulardan geçen sıvı neredeyse mükemmel bir yalıtkan.

Saf suyun teorik direnci 25 santigrat derecede 18,2 megaohm-santimetredir. Değer, suyun kendi kendine iyonlaşmasından gelen fiziksel bir üst sınırdır. Musluk suyu ise bölgeye ve kaynağa bağlı olarak 0,001 ila 0,02 megaohm-santimetre arasında seyreder. Aradaki fark kabaca iki bin kat. Sıvıya ultra saf su deniyor. Ve modern dünyanın en kritik endüstriyel sıvısı olabilir.

Olimpik havuz ve çay kaşığı

Ultra saf suyun ne kadar saf olduğunu kavramak için bir benzetme işe yarar. Bir olimpik yüzme havuzu düşün. 2,5 milyon litre su alır. Havuzun içine bir çay kaşığı sofra tuzu atıp karıştırsan, suyun iletkenliği ölçülebilir şekilde artar. Ultra saf su ise bu seviyenin çok altında kirlilik içerir. Litre başına milyarda bir gramdan daha az toplam organik karbon barındırır.

Mililitrede bir canlı bakteri hücresi bile bulunmaz. Partikül sayısı mililitrede 0,1'in altındadır ve sayılan partiküllerin tamamı 0,05 mikrometreden küçüktür. Karşılaştırma için, bir insan saçı yaklaşık 70 mikrometre kalınlığındadır. Ultra saf suyun içindeki en büyük partikül, saç telinin binde birinden daha incedir.

Saflık seviyesi lüks bir tercih değil, fiziksel bir zorunluluk. Yarı iletken üretiminde kullanılan wafer plakaları üzerindeki devre yolları artık birkaç nanometre genişliğinde. Bir virüs parçacığı bile bu yolları kısa devre yaptırmaya yeter. 3 nanometrelik bir transistörün kapı oksidi, tek bir sodyum iyonunun difüzyonuyla bozulabilir. Üretim sürecinde wafer yüzeyine milimetre kare başına 0,5'ten fazla partikül düşmesi, yonga verimini yüzde 10 ila 15 oranında düşürür. Verimdeki her yüzde 1'lik kayıp, büyük ölçekli bir fabrikada yıllık 50 milyon doların üzerinde gelir kaybı anlamına gelir.

Ters osmozdan polisaj döngüsüne

Ultra saf su üretimi tek bir adımda gerçekleşmez. Çok aşamalı, döngüsel bir süreçtir. Şehir şebekesinden gelen içme suyu kalitesindeki su, önce bir ön arıtma tankına alınır. Burada klor giderilir. Klor, sonraki aşamalardaki poliamid esaslı ters osmoz membranlarını oksitleyerek birkaç saat içinde geri dönüşsüz hasar verir. Serbest klor konsantrasyonu 0,1 miligram/litrenin altına indirilmelidir. Giderme işlemi aktif karbon yatakları veya sodyum bisülfit enjeksiyonuyla yapılır.

Ardından su, 15 ila 70 bar arasında değişen yüksek basınçla ters osmoz membranlarından geçirilir. Ters osmoz, su moleküllerini geçirip iyonların yüzde 95 ila 99'unu tutan ince film kompozit yarı geçirgen bir zardır. Membran gözenekleri yaklaşık 0,1 nanometre çapındadır. Hidratlaşmış sodyum iyonu bile 0,36 nanometre yarıçapındadır, bu yüzden geçemez.

Ama su molekülleri 0,28 nanometreyle geçebilir. Sistem genellikle iki geçişli olarak tasarlanır. İlk geçişte iletkenlik 50 ila 100 mikrosiemens aralığına düşer.

İkinci geçişte 1 ila 5 mikrosiemens seviyesine iner. Halbuki ultra saf suyun hedefi 0,055 mikrosiemensin altıdır. Dolayısıyla iş bitmemiştir.

İkinci geçiş permeatı, sürekli elektriksel olarak yenilenen iyon değiştirici yataklardan geçer. Yataklar pozitif ve negatif yüklü reçinelerle doludur. Reçinelerin arasına anyon ve katyon seçici membranlar yerleştirilmiştir. Uygulanan 400 ila 600 volt/metre doğru akım, su moleküllerini hidrojen ve hidroksil iyonlarına ayırır. Iyonlar reçineleri sürekli taze tutar. Aşamaya elektrodeiyonizasyon denir.

Kimyasal rejenerasyon gerektirmez, elektrik akımıyla reçineleri sürekli tazeler. Çıkışta suyun direnci 10 megaohm-santimetreyi aşar. Ama hala yeterli değil.

Organik moleküller ve bakteriler kalır. Ultraviyole oksidasyon ünitesinde su, 185 ve 254 nanometre dalga boyunda UV ışığına maruz bırakılır. 185 nanometrelik ışık, su moleküllerini doğrudan fotolizle parçalayarak hidroksil radikalleri oluşturur. Hidroksil radikalinin oksidasyon potansiyeli 2,8 volttur, ozondan bile yüksektir. Tümorganik karbon seviyesini 5 mikrogram/litrenin altına düşürür. 254 nanometrelik ışık ise bakterilerin DNA'sındaki timin dimerlerini oluşturarak üremelerini engeller.

UV dozu, 40 milijoule/santimetrekare olarak ayarlanır. Doz, 99,99'luk inaktivasyon için yeterlidir.

Ardından su, 0,02 mikrometre gözenekli ultrafiltrasyon membranlarından geçer. Membranlar ölü bakteri kalıntılarını ve son partikülleri tutar. Polisülfon veya polietersülfon malzemeden yapılmış içi boş elyaf formundadır. Partikül giderim verimi yüzde 99,99'un üzerindedir. Ardından vakumlu degazifikasyon ünitesinde çözünmüş oksijen ve karbondioksit gazları sıyrılır. Ünite, sıvıyı ince bir film halinde düşük basınçlı bir tanka püskürtür. Çözünmüş oksijen seviyesi milyarda 1 parçanın altına indirilir.

Çözünmüş oksijenin bu kadar düşük olması şarttır. Çünkü oksijen, wafer yüzeyinde istenmeyen doğal oksit tabakaları oluşturabilir. 1 nanometrelik kontrolsüz bir oksit tabakası, 3 nanometrelik bir transistörün eşik voltajını kaydırmaya yeter. Su artık 18,2 megaohm-santimetre dirence ulaşmıştır. Ama yolculuk burada bitmez. Suyun kullanım noktasına kadar saflığını koruması gerekir.

Turuncu boruların sırrı

Ultra saf su agresif bir çözücüdür. İçinde neredeyse hiç iyon olmadığı için, temas ettiği yüzeylerden iyon koparmaya aşırı derecede isteklidir. 316L paslanmaz çelik borudan geçirirseniz, birkaç saniye içinde demir ve krom iyonlarını bünyesine katar. 304 kalite çelikte bu süreç daha da hızlıdır. Elektropolisaj yapılmış paslanmaz çelik bile 18 megaohm-santimetre suyla temas ettiğinde yüzeyden nikel salınımı yapar. O yüzden metal boru kesinlikle kullanılmaz.

Ultra saf su sistemlerinde boru malzemesi olarak PVDF (poliviniliden florür) veya yüksek saflıkta polipropilen kullanılır. PVDF, zincirindeki güçlü karbon-flor bağları sayesinde kimyasal olarak neredeyse inerttir. Yüzey pürüzlülüğü 0,5 mikrometre Ra değerinin altındadır. Pürüzsüz yüzey, partikül tutunmasını ve biyofilm oluşumunu azaltır. Boru bağlantıları füzyon kaynağıyla yapılır, yapıştırıcı veya conta kullanılmaz. Conta malzemesi partikül salınımına ve bakteri barınmasına yol açar.

Kaynak işlemi, boru uçlarının ısıtılıp eritilerek birleştirilmesiyle yapılır. Kaynak sırasında iç yüzeyde oluşabilecek çapakları önlemek için sistemden azot gazı geçirilir.

Dağıtım sistemi sürekli bir döngü halinde çalışır. Su, merkezi arıtma ünitesinden çıkar, fabrika içindeki kullanım noktalarına dağılır, kullanılmayan su geri döner ve tekrar arıtma döngüsüne girer. Boru çapları, suyun 1,5 ila 3 metre/saniye hızla akmasını sağlayacak şekilde ayarlanır. Reynolds sayısı 4 binin üzerinde tutulur, böylece türbülanslı akış sağlanır. Hız, boru çeperinde biyofilm oluşumunu engeller. Bakteriler durgun suda kolonileşir.

Sürekli türbülanslı akış, bakteri tutunmasını fiziksel olarak imkansız kılar. Döngüdeki toplam su hacmi yaklaşık 30 ila 60 dakikada bir tamamen yenilenir.

Döngü sıcaklığı 20 ila 22 santigrat derece arasında sabit tutulur. Daha yüksek sıcaklık bakteri üremesini tetikler. 25 derecenin üzerinde bakteri çoğalma hızı iki katına çıkar. Daha düşük sıcaklık ise gaz çözünürlüğünü artırarak çözünmüş oksijen seviyesini yükseltir. 15 derecede oksijen çözünürlüğü 20 dereceye göre yaklaşık yüzde 15 daha fazladır. Sıcaklık kontrolü için döngü hattına ısı değiştiriciler yerleştirilmiştir. Değiştiricilerin plakaları da PVDF kaplıdır, metal teması yoktur.

Kullanım noktasında su, wafer yıkama istasyonlarına, kimyasal seyreltme tanklarına ve litografi makinelerine beslenir. Tek bir 300 milimetrelik wafer plakasının işlenmesi sırasında yaklaşık 8 ila 10 litre ultra saf su tüketilir. Bir wafer üzerinde yüzlerce çip bulunur. Her çip onlarca katmandan oluşur ve her katman sonrası yıkama gerekir. Modern bir çip fabrikası günde 40 bin tonun üzerinde ultra saf su kullanabilir. Miktar, yaklaşık 150 bin kişilik bir şehrin günlük içme suyu tüketimine denktir.

Kuraklık çipleri vurduğunda

Piyasa Hafızası. Tayvan, 2021

2021 yılının Nisan ayında Tayvan, son 56 yılın en şiddetli kuraklığıyla karşı karşıya kaldı. Adanın orta ve güney bölgelerindeki rezervuarlarda su seviyesi yüzde 5'in altına düştü. Tayvan dünyanın en büyük sözleşmeli çip üreticisi TSMC'ye ev sahipliği yapıyor. TSMC'nin tek başına günlük su tüketimi 150 bin tonu aşıyordu ve bunun önemli bir kısmı ultra saf suya dönüştürülüyordu. Hükümet, sanayi kullanıcılarına yüzde 15 su kesintisi uyguladı. TSMC, su ihtiyacını karşılamak için yüzlerce tanker kiralayarak adanın farklı bölgelerinden su taşımaya başladı.

Tanker filosu günde 8 bin ton su taşıyordu. Şirket ayrıca kendi bünyesinde su geri kazanım oranını yüzde 87'ye çıkardı. Her litre suyu üretim zincirinde ortalama 3,5 kez kullanır hale geldi. Kriz, küresel çip tedarik zincirinin ne kadar kırılgan olduğunu gösterdi. Ders basitti, Ultra saf su olmadan çip olmaz, çip olmadan modern ekonomi durur. Ve ultra saf suyun hammaddesi hala musluktan akan sıradan su.

Küçük Bir Hesap

Bir metreküp ultra saf su üretmenin maliyeti, girdi suyun kalitesine ve enerji fiyatlarına bağlı olarak değişir. Aşağıdaki tablo, orta ölçekli bir yarı iletken fabrikası için temsili bir maliyet kırılımını gösteriyor. Sayılar temsili, mantık gerçek.

Görünüşte mütevazı bir rakam. Ama günde 40 bin metreküp tüketen bir fabrika için yıllık maliyet 54 milyon doları aşar. Duyarlılık tarafında ise en kritik değişken enerjidir. Elektrik fiyatında kilovatsaat başına 0,02 dolarlık bir artış, metreküp başına maliyeti 0,24 dolar yükseltir. Da yıllık 3,5 milyon dolarlık ek yük demektir. Daha çarpıcı olan ise su girdisinin verimliliğidir.

Her 1,4 metreküp şehir suyundan yalnızca 1 metreküp ultra saf su elde edilir. Yaklaşık 0,4 metreküp, konsantre atık su olarak sistemi terk eder. Atık su, içindeki yoğunlaşmış iyonlar nedeniyle doğrudan deşarj edilemez, ayrıca arıtılması gerekir. Su geri kazanım oranını yüzde 70'ten yüzde 85'e çıkarmak, yılda yaklaşık 2 milyon metreküp su tasarrufu sağlar. Tasarruf edilen miktar kabaca 800 olimpik yüzme havuzuna eşdeğerdir.

Dijital çağın görünmez temeli

Ultra saf su, yarı iletken endüstrisinin sessiz kahramanıdır. Herkes çip tasarımından, transistör yoğunluğundan, Moore yasasından bahseder. Ama 3 nanometrelik bir transistörün hatasız çalışması, wafer yüzeyinde tek bir partikül kalmamasına bağlıdır. O partikülü uzaklaştıran sıvı, musluktan akan sudan iki bin kat daha saf olmak zorundadır. Saflık seviyesine ulaşmak için gereken altyapı, bir çip fabrikasının toplam yatırım maliyetinin yaklaşık yüzde 2 ila 3'ünü oluşturur. 20 milyar dolarlık bir fabrikada bu, 400 ila 600 milyon dolarlık bir su arıtma yatırımı demektir.

İklim değişikliği ve su kıtlığı, bu görünmez temeli tehdit ediyor. Çip üreticileri artık fabrika yerleşimi kararlarında su güvenliğini en az elektrik güvenliği kadar önemsiyor. Arizona çölünde kurulan yeni TSMC fabrikası, günde 20 bin ton suyu geri kazanacak şekilde tasarlandı. Intel'in İsrail'deki fabrikası, kendi atık suyunun yüzde 90'ını yeniden kullanıyor. Ultra saf suyun kendisi görünmez, ama yokluğu anında görünür hale gelir. Ekranlar kararır, sunucular susar, otonom araçlar durur. Musluktan akan suyun iletkenliğini ölçen bir cihaz, aslında dijital çağın nabzını tutuyor.