Prozesssichere High-Purity-Reinigung Warum Spülen in der Fertigung über Erfolg oder Ausschuss entscheidet

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In der High-Purity-Reinigung wird der Spülprozess zunehmend zum kritischen Qualitätsfaktor. Wasserqualität, Anlagenkonzept und Prozessführung bestimmen, ob Bauteile die geforderten Sauberkeitsgrenzwerte erreichen oder Rekontamination entsteht. Der Beitrag zeigt die wichtigsten Stellhebel für stabile Spülergebnisse.

Beim Spülen entscheidet sich, ob High-Purity-Bauteile die geforderten Sauberkeitsgrenzwerte erreichen, oder ob eine Rekontamination nach der Reinigung Ausschuss verursacht. Entscheidend sind vor allem drei Faktoren:

• Reinstwasserqualität direkt am Point of Use (Partikel, Organik/TOC, Leitwert, pH).

• Minimale Verschleppung zwischen den Prozessstufen und definierte Spülführung.

• Anlagentechnik und Kreislaufhygiene: geeignete Werkstoffe, durchdachte Rohrleitungen sowie kontinuierliches Monitoring.

Der folgende Text erläutert die Hintergründe dieser Stellhebel und zeigt, warum Spülen in der High-Purity-Bauteilreinigung zum systemkritischen Prozessschritt wird.

Medien als limitierender Faktor

In der High-Purity-Bauteilreinigung gelten Sauberkeitsanforderungen wie in keiner anderen Branche: zulässige Obergrenzen der chemischen Zusammensetzung der Bauteiloberfläche in Atom-Prozent, geringe Ausgasungsraten und Partikelfreiheit im Submikronbereich. Der Grund für diese hohen Anforderungen resultiert aus den extremen Vakuum-Bedingungen, in denen die Bauteile eingesetzt werden, beispielsweise in der EUV-Lithografie, in der Raumfahrt oder in Massenspektrometern für die Analytik.

Bei diesen Anwendungen wird Sauberkeit zum Systemmerkmal. Damit ist gemeint, dass das ganze System so ausgelegt werden muss, dass hohe Grenzwerte erreicht und Rekontaminationen ausgeschlossen werden. Dies gilt insbesondere auch für die verwendeten Medien, denn jedes Kontaktmedium muss ebenfalls die hohen Grenzwerte erfüllen, um die Spezifikation nicht zu verletzen. Ansonsten kann das Bauteil erst gar nicht entsprechend gereinigt werden, oder aber es droht eine Rekontamination des Bauteils.

Für die Umgebungsluft und Prozessluft sind die Grenzwerte beispielsweise über HEPA-/ULPA-Filtration und Reinraumtechnik grundsätzlich beherrschbar. Aufwändiger ist hingegen das Prozesswasser. Beim Spülen darf es selbst keine Verunreinigungen wie Partikel oder Organik auf das Bauteil tragen, ansonsten droht eine Rekontamination und damit ein Ausschuss des Bauteils.

Was bedeutet „Spülen“?

Spülen ist nicht einfach ein „Abwaschen“ von Reiniger, sondern im Wesentlichen eine Verdünnung des verschleppten Flüssigkeitsfilms auf der Bauteiloberfläche mit Spülwasser. Durch das Verdünnen erfolgen zugleich ein Abtragen und Austragen der verbleibenden Kontaminationen. Damit wird Spülen zum Stofftransportproblem: Ziel ist die definierte Absenkung der Kontaminationskonzentration von Stufe zu Stufe bis unter die maßgeblichen Grenzwerte (partikulär wie auch filmisch/organisch). Kurz gesagt: Das Bauteil kann mithin nur so sauber werden, wie es die letzte Spüle ist.

Wesentliche Faktoren für eine gute Spülqualität

Die wesentlichen Faktoren für eine gute Spülqualität sind die Wasserqualität am Point of Use und eine minimale Verschleppung. Die erforderliche Wasserqualität hängt von den einschlägigen Sauberkeitsanforderungen ab. Häufig wird sogenanntes Reinstwasser oder Ultra Pure Water (UPW) in den letzten Spülen eingesetzt, wobei normierte Definitionen im europäischen Wirtschaftsraum für Reinstwasser nicht verbreitet sind und Begrifflichkeiten insofern teilweise uneinheitlich benutzt werden.

Die Wasserqualität hängt wiederum von der Rohwasserqualität des Stadtwassers ab. Je nach Härte, Leitfähigkeit und enthaltenen Salzen ist ggf. eine Vorbehandlung mit einer Aktivkohlefiltration, einer Partikelfiltration, einer Entmanganung oder einer Enteisung erforderlich. Anschließend wird in der Regel in einer Umkehrosmose mittels Druck über eine semipermeable Membran Permeat (salzarm) vom Konzentrat getrennt.

Für sehr hohe Anforderungen folgt oft eine weitere Behandlung über Mischbett-Ionenaustauscher oder alternativ eine Elektrodeionisation (EDI), die kontinuierlich ohne Regenerationschemikalien arbeitet. Je nach Anforderung werden zusätzliche Stufen wie eine UV-Desinfektion zur Keimreduktion oder beispielsweise eine Entgasung ergänzt. Die Wasserqualität wird schließlich über Parameter wie den Leitwert, den pH-Wert oder den TOC-Wert bestimmt und überwacht.

Durch all diese moderne Wasseraufbereitungstechnik kann eine hervorragende Wasserqualität am Ende einer Wasseraufbereitungsanlage gewährleistet werden. Entscheidend ist aber vielmehr, die Wasserqualität am Point of Use, also in dem Becken oder der Kammer der Reinigungsanlage.

Anlagentechnik als Enabler: Materialwahl, Verschleppung, Kreislaufhygiene

Hier ist nun eine Anlagentechnik erforderlich, die durch eine minimale Verschleppung, eine entsprechende Materialauswahl und ggf. eine Kreislaufhygiene die gute Wasserqualität am Point of Use bereitstellt. Denn die Spülqualität ist nur so gut wie das System, das sie trägt.

Bereits die Konzeption und Konstruktion der Reinigungsanlage müssen darauf ausgelegt sein, Verschleppungen zu minimieren. Darunter fällt die konsequente Trennung der jeweiligen Medienkreisläufe: Jeder Tank verfügt über ein eigenes Rohrleitungssystem, eigene Filtereinheiten und eine eigene Pumpe. Außerdem muss die Rohrleitungsführung strömungsoptimiert sein, damit sich keine Wasserreste ansammeln können. Häufig werden die Warenträger und Gestelle vernachlässigt. Auch diese müssen getreu dem Motto „form follows function“ so konstruiert sein, dass sie keine schöpfenden Stellen oder große Oberflächen haben, an denen sich Wasserreste ablagern.

Je nach Anlagentypus gibt es weitere konstruktive Besonderheiten; bei Umsetzer-Tauchreinigungsanlagen ist auf definierte Überläufe und Trennbleche zwischen den einzelnen Becken zu achten. Abtropfzeiten und ein Rütteln der Warenträger unterstützen die Verhinderung von Verschleppung. Bei Kammeranlagen sind ein abflussoptimiertes Design der Kammer, eine restlose Entleerung der Kammer und eine Kammerreinigung zwischen den Behandlungsschritten förderlich. Zusätzlich sollte auch in der Reinigungsanlage, also am Point of Use, mit einer entsprechenden Sensorik die Wasserqualität überwacht werden.

Die Auswahl der passenden Werkstoffe und Oberflächen ist ebenfalls maßgeblich. Wegen der besseren Materialverträglichkeit sind V4A-Edelstähle (beispielsweise 1.4404, 1.4571) statt V2A-Edelstähle zu verwenden, es ist auf eine entsprechende Schweißqualität zu achten. Auf Messing etwa ist gänzlich zu verzichten. PP und PVDF können sich ebenfalls für Verrohrungen eignen.

Praxisbeispiel: Auslegung von Reinigungsanlagen für High-Purity-Spülprozesse

Als Beispiel für die praktische Umsetzung nennt die BvL Oberflächentechnik GmbH Reinigungsanlagen, die für eine hohe Spülqualität am Point of Use ausgelegt werden können, unter anderem durch getrennte Medienkreisläufe, geeignete Werkstoffauswahl und prozessbegleitende Überwachung der Wasserqualität. Beispielhaft werden dafür die NiagaraUP-Kammerreinigungsanlage und die AtlanticTR-Tauchreinigungsanlage angeführt. Probereinigungen sind im firmeneigenen Technikum möglich. Für Tests steht außerdem eine Reinstwasseraufbereitung (EnviroFALK) zur Verfügung (Kennwerte: Leitwert 0,04 µS/cm; TOC 13,58 ppb). (sb)

* Christine Brühöfner ist im Marketing von BvL Oberflächentechnik GmbH beschäftigt.

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