Ultra Saf Su

Laboratuvar sınıflandırmalarında Tip I su olarak da bilinen Ultra Saf Su (UPW), 25°C’de minimum 18.2 MΩ·cm özdirenç, 1 µg/L’nin altında toplam organik karbon (TOK) seviyeleri ve ihmal edilebilir konsantrasyonlarda parçacık, iyon, metal, silika ve mikroorganizma içeren, en yüksek saflık standartlarına göre arıtılmış sudur.^[1] Bu arıtma seviyesi, çözünmüş, askıda, organik ve inorganik tüm safsızlıkların sanal olarak yokluğunu sağlayarak suyu iletken olmayan bir hale getirir ve eser miktardaki kirleticilerin bile süreçleri veya sonuçları tehlikeye atabileceği uygulamalar için uygun kılar.^[2] Elektronik endüstrisi için ASTM D5127 gibi standartlardaki titiz spesifikasyonlarla tanımlanan UPW, yüksek hassasiyetli üretimde kusurları önlemek için gereklidir.^[1]

Ultra saf suyun üretimi, belediye veya ön arıtılmış besleme suyundaki safsızlıkları kademeli olarak gidermek için tasarlanmış çok aşamalı bir arıtma sürecini içerir.^[3] İlk ön arıtma; partikülleri, kloru ve sertlik iyonlarını ortadan kaldırmak için çok ortamlı filtrasyon, aktif karbon adsorpsiyonu ve yumuşatma kullanır.^[2] Bunu, çözünmüş katıların, organiklerin ve silikanın %98’inden fazlasını reddetmek için ters osmoz (RO) ve ardından iyonik giderimi trilyonda bir (ppt) seviyelerine kadar düşürmek için karma yataklı iyon değişimi veya sürekli elektrodiyonizasyon (CEDI) izler.^[3] 185 nm’de ultraviyole (UV) ışınlama, TOK’yi azaltmak için organik bileşikleri oksitlerken, 254 nm UV sterilizasyon sağlar; süreç, kalıntı partikülleri ve bakterileri yakalamak için ultrafiltrasyon veya mikrofiltrasyon (0.02–0.1 µm) kullanılarak yapılan son parlatma (polishing) ile tamamlanır.^[2] Genellikle kapalı döngü sistemlerine entegre edilen bu adımlar, yeniden kirlenmeyi önlemek için depolama ve dağıtım sırasında saflığı korur.^[4]

Ultra saf su, kirlilikten arındırılmış ortamlar gerektiren endüstrilerde kritik uygulamalar bulmaktadır; yarı iletken sektörü, kusursuz çipler sağlamak amacıyla wafer durulama, aşındırma (etching) ve fotolitografi için en büyük hacimleri tüketmektedir.^[5] İlaç endüstrisinde, düzenleyici saflık standartlarını karşılamak için ilaç formülasyonu, ekipman sterilizasyonu ve analitik testlerde kullanılır.^[4] Ek kullanımlar arasında, kireçlenmeyi önlemek için enerji üretiminde kazan beslemesi, ICP-MS ve HPLC gibi hassas enstrümantasyon için laboratuvar araştırmaları ve güneş fotovoltaik üretimi ile biyoteknoloji gibi gelişmekte olan alanlar yer alır.^[6] SEMI F63 gibi standartlar, bu talepkar sektörlere özel olarak uyarlanmış partikül (>0.05 µm için <1/mL) ve silika (<0.05 ppb) limitlerini belirleyerek ASTM kılavuzlarını tamamlar.^[7]

Tanım ve Özellikler

Tanım ve Saflık Seviyeleri

Ultra saf su (UPW), neredeyse tüm kirleticileri gidermek için çok aşamalı arıtmadan kaynaklanan, milyarda 1 parçanın (ppb) altında toplam iyonik içerik ve 1 ppb’nin altında toplam organik karbon (TOK) ile karakterize edilen yüksek oranda saflaştırılmış sudur.^[8] Bu saflık seviyesi, suyun öncelikle H₂O molekülleri ile birlikte dengeli H⁺ ve OH⁻ iyonları içermesini sağlayarak, safsızlıklardan kaynaklanan parazitlerin minimum düzeyde olması gereken uygulamalar için uygun hale getirir.^[3]

UPW için temel saflık ölçütleri, 25°C’de 18.2 MΩ·cm’yi aşan ve 0.055 µS/cm’den daha az bir iletkenliğe karşılık gelen özdirenci içerir; bu da iyonik türlerin neredeyse tamamen giderildiğini gösterir.^[9] Ek spesifikasyonlar arasında canlı bakterilerin yokluğu (100 mL’de 1 koloni oluşturan birimden az), 0.05 µm’den büyük boyutlar için litre başına 200 parçacıktan az partikül madde (SEMI F63 yönergelerine göre 0.2 µm’den büyük litre başına 100’den az gibi daha büyük partiküller için ek limitlerle birlikte) ve oksidatif reaksiyonları önlemek için 5 ppb’nin altında çözünmüş oksijen bulunur.^[8]^[10]

“Ultra saf su” terimi, 1970’lerin başında, yarı iletken endüstrisinin mikroçip üretimindeki kusurları önlemek için mevcut standartların ötesinde su saflığına ihtiyaç duymasıyla ortaya çıkmıştır.^[3] Başlangıçta 10–16 MΩ·cm özdirenç elde etmek için iyon değişimine dayanan deiyonize su uygulamalarından evrilmiş, ancak artan talepleri karşılamak için 1980’lerde ters osmoz gibi daha ileri gelişmeleri gerektirmiştir.^[3]

Ultra saf su ile karşılaştırıldığında, standart deiyonize su tipik olarak 1–16 MΩ·cm aralığında bir özdirenç sergileyerek daha yüksek artık iyonik içeriği yansıtırken, damıtılmış su, uçucu olmayan safsızlıkların eksik giderilmesi nedeniyle genellikle 0.5–2 MΩ·cm özdirence sahiptir.^[11] Bu ayrımlar, yarı iletken durulama gibi hassas süreçler için gerekli olan UPW’nin üstün saflığını vurgular.^[8]

Fiziksel ve Kimyasal Özellikler

Ultra saf su, minimum iyonik ve partikül içeriği nedeniyle saf suyla neredeyse aynı fiziksel özellikler sergiler, ancak aşırı saflığı, koroziflik gibi belirli davranışsal özelliklerini artırır. 25°C’de yoğunluğu yaklaşık 0.997 g/cm³ olup, ortam koşullarında deiyonize H₂O için standart değeri yansıtır.^[12] Dinamik viskozite aynı sıcaklıkta 0.89 cP ölçülür ve hassas uygulamalardaki akış özelliklerine katkıda bulunur.^[13] Yüzey gerilimi 72 mN/m seviyesindedir ve arayüzlerde güçlü kohezyon kuvvetleri sağlar.^[14] Kaynama ve donma noktaları sırasıyla 100°C ve 0°C’de kalarak saf H₂O’dan ayırt edilemez, ancak çözünmüş iyonların yokluğu, malzemelerle agresif etkileşimini artırarak metaller veya oksitlerle temas halinde korozyonu teşvik eder.^[15]

Kimyasal olarak ultra saf su, özellikle atmosferik karbondioksit ile yüksek reaktivite gösterir; karbondioksit çözülerek karbonik asit oluşturur ve maruz kalındığında pH’ı yaklaşık 5.5–6.0’a düşürür. Bu durum, suyun iyonlardan veya karbonatlardan gelen tamponlama kapasitesinden yoksun olması ve eser miktarda CO₂’nin bile dirençle karşılaşmadan asiditesini önemli ölçüde değiştirmesine izin vermesi nedeniyle oluşur.^[16] Ayrıca, saflığı, depolama kaplarından metal sızdırma (leaching) eğilimini güçlendirir; iyonik açığını dengelemek için paslanmaz çelik veya boru yüzeylerinden demir ve bakır gibi iyonları çeker.^[17]

Bu saflığın davranışsal etkileri, 25°C’de teorik maksimum olan $$ \rho = 18.2 \, \mathrm{M}\Omega \cdot \mathrm{cm} $$ seviyesine ulaşan yüksek elektriksel özdirençte kendini gösterir; bu değer, kirleticilerin yokluğunda otoiyonize H⁺ ve OH⁻ türlerinin sınırlı iyon hareketliliğinden hesaplanır.^[18] Bu yüksek özdirenç, ultra saf suyun çözücü özelliklerinin nasıl güçlendiğini ve temas halinde eser miktardaki kirleticileri veya kalıntıları çözme ve taşıma konusunda onu son derece etkili hale getirdiğini vurgular. Ayrıca, agresif doğası cam yüzeylerden silika çözünmesine yol açabilir, bu da yeniden kirlenmeyi önlemek için PFA veya kuvars gibi reaktif olmayan depolama malzemelerinin kullanılmasını gerektirir.^[19]

Standartlar ve Spesifikasyonlar

Uluslararası ve Düzenleyici Standartlar

Ultra saf su (UPW) için uluslararası standartlar, küresel uygulamalarda tutarlı kaliteyi sağlamak amacıyla ASTM International, Uluslararası Standardizasyon Örgütü (ISO) ve Yarı İletken Ekipman ve Malzemeleri Uluslararası (SEMI) gibi kuruluşlar tarafından belirlenir. ASTM D1193 standardı, hassas analitik prosedürler için en yüksek saflık seviyesini temsil eden Tip I dahil olmak üzere dört tip reaktif su belirtir; bu standart, 25°C’de en az 18 MΩ·cm özdirenç ve ≤50 ppb toplam organik karbon (TOK) gerektirir.^[20] Benzer şekilde ISO 3696, analitik laboratuvar kullanımı için üç su sınıfı tanımlar; bunların en safı olan Sınıf 1, 25°C’de ≤1 µS/cm iletkenlik, 5 ile 8 arasında pH ve buharlaşma sonrası kalıntının minimum olması (sayısal bir sınır belirtilmemiştir) ile karakterize edilir ve iyonik, organik ve kolloidal kirleticilerden arınmışlığı sağlar.^[21] Yarı iletken uygulamaları için SEMI F63, gelişmiş çip üretiminde kusurları önlemek amacıyla işleme ihtiyaçlarına göre uyarlanmış yönergeler sağlar; 1 ppb’nin altında TOK, litre başına 200’den az 0.05 µm’den büyük partikül (veya 0.2/mL) ve 18.2 MΩ·cm’yi aşan özdirenç belirtir.^[7]

Düzenleyici çerçeveler, özellikle deşarjlar ve kimyasal saflıkla ilgili olarak UPW üretimi ve kullanımının çevresel ve güvenlik yönlerini ele almaktadır. Amerika Birleşik Devletleri’nde Çevre Koruma Ajansı (EPA), su arıtma tesislerinden kaynaklananlar da dahil olmak üzere endüstriyel atık su deşarjlarını düzenleyen Temiz Su Yasası (CWA) kapsamındaki yönergeleri uygular. Bu, Ulusal Kirletici Deşarj Eliminasyon Sistemi (NPDES) izinleri aracılığıyla yüzey sularına giren ağır metaller ve organikler gibi kirleticileri sınırlamayı amaçlar.^[22] Avrupa Birliği’nde ilaç üretimi, su kalitesi için Avrupa Farmakopesi (Ph. Eur.) monograflarına dayanır. Örneğin, Saf Su (iletkenlik ≤5.1 µS/cm, TOK ≤500 ppb) için monograf 0008 ve Enjeksiyonluk Su için 0169, Direktif 2001/83/EC uyarınca iyi üretim uygulamalarını (GMP) karşılamak için kimyasal saflığı sağlar. REACH ise suyu doğrudan yönetmekten ziyade öncelikle kimyasal madde kaydını yönetir.^[23] Buna karşılık, Dünya Sağlık Örgütü (WHO) içme suyu kılavuzları, 1.000 µS/cm’ye kadar iletkenlik ve 2 mg/L’yi aşmayan TOK gibi daha yüksek safsızlık seviyelerine izin verir; bunlar UPW standartlarından çok daha az katıdır ve bu nedenle ultra saf uygulamalar için geçerli değildir.

UPW standartları, 2020’lerde ortaya çıkan teknolojik talepleri karşılamak için gelişmiştir. 2024’teki son ASTM D1193 revizyonu (D1193-24), temel saflık ölçütlerini korurken alternatif arıtma teknolojilerini barındıracak şekilde bileşen özelliklerini güncellemiştir, ancak açıkça nanopartikül limitlerini içermez.^[20] SEMI F63, çip teknolojisindeki gelişmeleri yansıtarak, 10 nm altı yarı iletken düğümlerini (nodes) desteklemek için partikül ve TOK eşiklerini iyileştiren 2016 ve 2021 gibi revizyonlar görmüştür.^[24]

Bu standartlara uyum, süregelen kaliteyi doğrulamak için titiz test protokollerini ve sertifikasyon süreçlerini içerir. Genel protokoller, TOK için UV oksidasyon-iletkenlik ve partiküller için ışık saçılımı gibi yöntemler kullanılarak özdirenç, TOK ve partiküller için kullanım noktası örneklemesini içerir. Sertifikasyon genellikle laboratuvarlar için ISO 17025 akreditasyonu altında üçüncü taraf denetimlerini gerektirir.^[25] Denetim sıklıkları riske dayalıdır; USP yönergeleri uyarınca farmasötik ortamlarda tam sistem validasyonu için tipik olarak yıllık, uyarı ve eylem seviyelerini korumak, izlenebilirliği ve düzeltici faaliyetleri sağlamak için ise daha sık (örneğin haftalık ila aylık) mikrobiyal ve kimyasal izleme yapılır.^[26]

Endüstriye Özel Gereklilikler

Yarı iletken endüstrisinde, ASTM D5127 gibi uluslararası standartlar, özellikle 2020 sonrasında tanıtılan 2nm süreçleri gibi gelişmiş düğümler için wafer üretiminde kusurları önlemek amacıyla SEMI F63 yönergeleri aracılığıyla uyarlanarak ultra saf suya katı limitler getirir. Silikon yüzeylerde doğal oksit büyümesini ve korozyonu en aza indirmek için çözünmüş oksijen 1 ppb’nin altında tutulmalı, dielektrik bozulmasına veya değişmiş alt tabaka özd direncine yol açabilecek iyonik kirlenmeyi önlemek için sodyum seviyeleri 0.1 ppb’nin altında sınırlandırılmalıdır. Bu eşikler, 2023 IRDS güncellemelerinin küçülen özellik boyutlarını ve artan karmaşıklığı desteklemek için analitik tespit limitlerine yakın saflığı vurguladığı AI çip üretim tesislerinde yüksek verimli üretim için kritiktir.^[27]^[28]^[29]

İlaç üretimi, enjekte edilebilir ürünlerde kullanılan su için USP bölümleri <643> ve <645> aracılığıyla genel farmakope standartlarını sıkılaştırarak, yalnızca iyonik saflık yerine mikrobiyal ve pirojen kontrolüne öncelik verir. İletkenlik, düşük iyonik içeriği sağlamak için 25°C’de 1.3 µS/cm’nin altında sınırlandırılırken, parenteral ilaçlarda pirojenik reaksiyonları önlemek için bakteriyel endotoksinler 0.25 EU/mL’yi aşmamalıdır. Bu pirojen içermeme zorunluluğu, farmasötik gereksinimleri, biyolojik kirleticilerden ziyade partikül ve metalik safsızlıklara daha fazla odaklanan yarı iletken ihtiyaçlarından ayırır.^[30]

Enerji üretimi için, yüksek basınçlı kazan besleme suyu için ASME Döngü Kimyası Konsensüsü gibi endüstri standartları, silikayı 20 ppb’nin altına hedefleyerek daha geniş su kalitesi normlarını iyileştirir. Daha yüksek seviyeler buhara karışabilir ve yüksek basınçlı sistemlerde türbin kireçlenmesine neden olabilir. Bu limit, verimli ısı transferini sağlar ve eser miktarda silikanın bile kirlenmeyi (fouling) şiddetlendirdiği süperkritik kazanlarda önemli bir sorun olan türbin kanatlarında birikmeyi önler. Farmasötik veya yarı iletken uygulamalarından farklı olarak, güç sektörü gereksinimleri operasyonel güvenilirliği sürdürmek için silika çözünürlüğü ve taşınım kontrolünü vurgular.^[31]^[32]

Üretim Süreçleri

Kaynak Suyu Hazırlama

Ultra saf su üretimi tipik olarak belediye kaynaklarından, kuyulardan veya nehirler ve göller gibi yüzey sularından temin edilen ham su ile başlar. Bu sular genellikle 100 ila 500 ppm arasında değişen toplam çözünmüş katı (TDS) ve toplam organik karbon (TOK) olarak 1 ila 10 mg/L organik içerik barındırır.^[33] Bu kaynaklar, sonraki arıtma ekipmanlarında kirlenmeyi veya kireçlenmeyi önlemek için ele alınması gereken askıda partiküller, kalsiyum ve magnezyum gibi sertlik iyonları ve karbondioksit gibi çözünmüş gazlar dahil olmak üzere çeşitli safsızlıklar içerir.^[34]

İlk ön arıtma, kimyasal ajanların yüklü parçacıkları nötralize ederek çöken veya filtrelenen daha büyük yumaklar oluşturduğu pıhtılaştırma (koagülasyon) ve yumaklaştırma (flokülasyon) gibi süreçler aracılığıyla kaba safsızlık giderimine odaklanır; bu, askıda katıları ve kolloidleri etkili bir şekilde hedefler.^[35] Bunu, askıda katıların %90’ından fazlasını gideren çok ortamlı veya kartuşlu filtrasyon ve sertlik iyonlarını ortadan kaldırmak için iyon değişimi yoluyla su yumuşatma işlemleri izler. Ayrıca CO2’yi sıyırmak ve asiditeyi azaltmak için gaz giderme işlemi de uygulanır.^[36]^[37] Bu adımlar, partikül yükünü en aza indirerek ve pH’ı dengeleyerek suyu sonraki parlatma (polishing) işlemleri için hazırlar.

Etkili bir ön arıtma, bulanıklığı 0.1 NTU’nun altına ve giriş TOK değerini 100 ppb’nin altına düşürmek gibi temel performans ölçütlerine ulaşarak, besleme suyunun aşırı kirlenme olmadan gelişmiş sistemler için uygun olmasını sağlar.^[38]^[39]

Kaynak suyu hazırlamadaki zorluklar arasında, 2020’lerde iklim değişikliği ile şiddetlenen mevsimsel kalite değişimleri yer almaktadır. Daha sıcak havalar ve değişen yağış modelleri, yüzey sularında artan alg patlamalarına yol açarak organik yükleri yükseltmiş ve ön arıtma etkinliğini karmaşıklaştırmıştır.^[40] Bu dalgalanmalar, çok aşamalı arıtıma geçmeden önce tutarlı giriş kalitesini korumak için uyarlanabilir izleme ve süreç ayarlamaları gerektirir.^[41]

Çok Aşamalı Arıtma Teknikleri

Ultra saf su üretimi, olağanüstü saflık seviyelerine ulaşmak için iyonları, organikleri, partikülleri ve gazları kademeli olarak ortadan kaldıran çok aşamalı bir arıtma dizisine dayanır. Ters osmoz (RO), yüksek basınçlı yarı geçirgen membranlar kullanarak gelen besleme suyundan çözünmüş iyonların ve organik bileşiklerin %95-99’unu reddeden birincil aşama olarak hizmet eder ve sonraki parlatma işleminden önce toplam çözünmüş katıları önemli ölçüde azaltır.^[42] Bu sürecin verimliliği, red oranı formülü ile ölçülür:

$$ R = 1 – \frac{C_p}{C_f} $$

Burada $C_p$ süzüntüdeki (permeate) çözünen madde konsantrasyonunu ve $C_f$ besleme suyundaki konsantrasyonu temsil eder, bu da membran performansının hassas bir şekilde değerlendirilmesine olanak tanır.^[43]

RO’yu takiben deiyonizasyon, elektrodiyonizasyon (EDI) veya karma yataklı iyon değişimi (DI) yoluyla gerçekleştirilir. EDI, kimyasal rejenerasyon olmaksızın artık iyonları sürekli olarak gidermek için iyon değiştirici reçineler ve elektrik alanları kullanır ve kritik uygulamalar için gerekli olan 18 MΩ·cm’yi aşan su özdirencine ulaşır.^[44] Bu yöntemler, yüksek hacimli üretimde sürdürülebilirliği nedeniyle özellikle değer verilen EDI ile iyonik safsızlıkların son izlerini hedefler.

Tamamlayıcı teknikler iyonik olmayan kirleticileri ele alır: Ultraviyole (UV) oksidasyon, toplam organik karbon (TOK) bileşiklerini doğrudan fotoliz etmek için 254 nm dalga boylu lambalar kullanırken, 185 nm ışınlama inatçı organiklerin ileri oksidasyonu için hidroksil radikalleri üretir ve TOK’yi milyarda bir seviyelerine düşürür.^[45] Ardından, mikron altı partikülleri, bakterileri ve kolloidleri ortadan kaldırmak için 0.01 µm’nin altındaki gözenek boyutlarına sahip membranlar kullanan ultrafiltrasyon (UF) gelir ve suyun sonraki süreçleri tehlikeye atabilecek partiküllerden arınmış kalmasını sağlar.^[46] Oksidatif hasar veya pH kararsızlığına neden olabilen oksijen ve karbondioksit gibi çözünmüş gazlar, azaltılmış basıncın kirletici madde sokmadan gazları çözeltiden çektiği vakumla gaz giderme yoluyla uzaklaştırılır.^[47]

Standart bir işlem akışı bu aşamaları sırayla entegre eder: Safsızlıkları başlangıçta konsantre etmek için RO, ardından iyonik parlatma için iki geçişli DI veya EDI, organik yıkım için UV oksidasyonu ve partikül kontrolü için son bariyer olarak UF. Bu yapılandırma, işletme maliyetlerini en aza indirirken saflığı optimize eder.^[48] Bu konfigürasyon, her adımın bir öncekini temel alarak yarı iletken üretimi ve ilaç imalatı için uygun su sağlamasıyla kapsamlı safsızlık giderimini garanti eder.

Uygulamalar

Yarı İletken Üretimi

Ultra saf su (UPW), hassas wafer yüzeylerinin bütünlüğünü korumak ve cihaz performansını tehlikeye atabilecek kirlenmeyi önlemek için gerekli olduğu yarı iletken üretiminde çok önemli bir rol oynar. Yüksek hacimli üretim tesislerinde (fabs), UPW öncelikle aşındırma (etching) ve litografi gibi işlemlerden sonra wafer durulaması için kullanılır. Kusurlara yol açmadan kapsamlı temizlik sağlamak için günde yaklaşık 10 milyon galon tüketilir.^[49] Bu durulama adımı, artık kimyasalları ve parçacıkları gidererek entegre devrelerde elektriksel arızalara yol açabilecek yüzey kalıntılarını en aza indirir ve verim oranlarını doğrudan etkiler. Ayrıca UPW, aşındırma çözeltilerinde hassas konsantrasyonlara kimyasal seyreltme için ve eser miktardaki safsızlıkların bile waferlarda çiziklere veya düzensiz düzleşmeye neden olabileceği kimyasal mekanik parlatma (CMP) işleminde çamur (slurry) hazırlamak için kullanılır.^[5]

Yarı iletken üretiminde UPW için katı saflık gereksinimleri, kirleticilerin önemli verim kayıplarına neden olabileceği modern cihazların nano ölçekli boyutları tarafından yönlendirilir. Kritik işlem adımlarında verimi %1-5 oranında düşürebilecek rastgele kusurları önlemek için partiküller nano ölçekte (örneğin >0.05 µm) kontrol edilmelidir.^[50] Benzer şekilde, özellikle bu tür birikimlerin kapı dielektriklerini veya ara bağlantıları değiştirebileceği gelişmiş 3 nm düğümlerinde, wafer yüzeylerinde birikmeyi önlemek için silika konsantrasyonları 0.5 ppb’nin altında tutulur.^[51] Son ekstrem ultraviyole (EUV) litografi süreçleri için, fotorezist kirlenmesini veya lens kirlenmesini önlemek ve 5 nm altı çözünürlüklerde desen doğruluğunu sağlamak amacıyla metal iyon seviyelerinin 0.1 ppb’nin altında olması gerekmektedir.^[52]

UPW güvenilirliğindeki ekonomik riskler olağanüstü derecede yüksektir, çünkü tedarikteki herhangi bir kesinti üretim hatlarını durdurabilir ve sermaye yoğun bir endüstride büyük kayıplara neden olabilir. Yüksek hacimli fabrikalarda, plansız UPW kesintileri, atıl ekipman ve milyonlarca dolarlık wafer partilerinde kaybedilen üretim nedeniyle saatte yaklaşık 1 milyon dolara mal olmaktadır.^[53] TSMC gibi önde gelen üreticiler, 7/24 üretim döngülerini desteklemek ve küresel çip talebini karşılamak için UPW sistemlerinde neredeyse mükemmel operasyonel sürekliliği vurgulamaktadır.

Tarihsel olarak, UPW’nin benimsenmesi, 1980’lerde mikron altı litografiye geçişle aynı zamana denk gelen yarı iletken yeteneklerinde dönüştürücü bir değişime işaret etmiştir. İlk sistemler, 1970’lerdeki temel iyon değişiminden, 1980’lerin ortalarında ters osmoz ve deiyonizasyonun entegre edildiği sistemlere evrildi. Bu, daha önce wafer işlemeyi engelleyen iyonik ve partikül kirleticileri büyük ölçüde azaltarak güvenilir 1 µm özellik boyutlarına olanak tanıdı.^[3] Bu ilerleme, dinamik rastgele erişimli bellek (DRAM) ve mantık çiplerinin üretimini ölçeklendirmek için çok önemliydi ve günümüzün gelişmiş düğümlerinin temelini attı.

İlaç Üretimi

İlaç üretiminde ultra saf su (UPW), enjekte edilebilir ilaçların formülasyonu için gereklidir; aktif farmasötik bileşenleri, olumsuz reaksiyonları tetikleyebilecek kirleticileri sokmadan çözmek için steril bir yardımcı madde (eksipiyan) olarak görev yapar. Ayrıca üretim ekipmanlarının ve yüzeylerin temizlenmesi için yaygın olarak kullanılır ve steril ortamlarda çapraz kontaminasyonu önlemek için önceki partilerden kalan kalıntıların giderilmesini sağlar. Monoklonal antikorların üretimi gibi biyofarmasötik imalatında UPW; hücre kültürü, kromatografi saflaştırması ve son formülasyon adımları sırasında optimum iyonik gücü ve pH’ı koruyan tamponların hazırlanması için kritiktir. Böylece protein agregasyonunu veya bozunmasını en aza indirirken yüksek verimli süreçleri destekler.^[4]^[6]^[54]

Bu sektörde UPW için katı saflık spesifikasyonları, ilaç sterilitesini ve stabilitesini korumak için biyolojik ve kimyasal safsızlıkları hedefler. Amerika Birleşik Devletleri Farmakopesi (USP) <1231>’e göre, bir UPW formu olan enjeksiyonluk su, parenterallerde pirojenik riskleri önlemek için 0.25 EU/mL’nin altında bakteriyel endotoksin seviyelerine ve mikrobiyal büyümeyi sınırlamak için 10 CFU/100 mL’nin altında toplam bakteri sayısına sahip olmalıdır. Gelişmiş UPW sistemlerinde Toplam Organik Karbon (TOK) 10 ppb’nin altında kontrol edilir, çünkü daha yüksek organik kalıntı seviyeleri peptitler veya proteinler gibi hassas biyolojik maddeleri adsorbe ederek formülasyon veya depolama sırasında ilaç etkisini azaltabilir.^[25]^[55]^[56]

Düzenleyici standartlar, küresel pazarlarda uyumluluğu ve hasta güvenliğini sağlamak için bu gereklilikleri uygular. ABD Gıda ve İlaç Dairesi’nin 21 CFR Bölüm 211’i, steril olmayan ilaç ürünlerinde kullanılan suyun mikrobiyal veya kimyasal tağşişi önlemek için uygun saflık seviyelerini (genellikle USP monograflarına uygun saflaştırılmış veya ultra saf su) karşılamasını zorunlu kılan mevcut iyi üretim uygulamaları (CGMP) yönergelerini belirler. mRNA aşıları için son Avrupa İlaç Ajansı (EMA) yönergeleri, su sistemlerinde gelişmiş çözünmüş oksijen kontrolü ihtiyacını vurgulamaktadır; çünkü aşırı oksijen, tampon hazırlama ve lipit nanopartikül formülasyonu sırasında mRNA bozunumunu hızlandırabilir.^[57]^[58]

UPW’nin rolünü gösteren önemli bir vaka, Pfizer tarafından 2021’de COVID-19 aşısı üretiminin ölçeklendirilmesi sırasında meydana gelmiştir. Üretim kapasitesi yıllık 3 milyar dozun üzerine çıkarken, olaysız operasyonlar sağlamak için titiz kirlilik kontrollerini sürdürürken seyreltme, temizlik ve tampon hazırlama için UPW hacimlerinde önemli artışlar gerekmiştir.^[59]^[60]

Enerji Üretimi ve Laboratuvar Kullanımları

Enerji üretiminde ultra saf su (UPW), verimli ısı transferini ve operasyonel uzun ömürlülüğü sürdürmeye yardımcı olan yüksek basınçlı sistemler için ASME kılavuzlarında önerildiği gibi silika seviyelerini 10 milyarda bir (ppb) altında tutarak kireçlenmeyi ve tortuları önlemek için kazan besleme suyu olarak görev yapar.^[61] Bu katı saflık, yüksek sıcaklık ve basınçların malzeme bozunumunu şiddetlendirdiği süperkritik santrallerde korozyonu azaltır; çalışmalar, yüksek saflıktaki besleme suyunun kazan borularında oksit oluşumunu en aza indirdiğini, ekipman ömrünü uzattığını ve bakım maliyetlerini düşürdüğünü göstermektedir.^[62] Nükleer reaktörlerde UPW, soğutma sistemleri için gereklidir; birincil devrede korozyonu veya kirlenmeyi (fouling) aktive edebilecek iyonik safsızlıkları sınırlamak için iletkenlik gereksinimleri tipik olarak santimetre başına 0.1 mikrosiemens’in (µS/cm) altındadır.^[63]

Geleneksel termik santrallerin ötesinde, UPW füzyon araştırmaları gibi gelişmiş enerji sistemlerinde kritik bir rol oynar. Örneğin ITER projesinde UPW, elektrik arkını önlemek ve plazmanın kararlı manyetik hapsini sağlamak için süper iletken mıknatısları soğutmakta kullanılır.^[64] Bu uygulama, UPW’nin aşırı koşullar altında yüksek voltajlı bileşenlerin bütünlüğünü korumadaki gerekliliğini vurgular.

Laboratuvar ortamlarında UPW, analitik kimya için vazgeçilmezdir. Yüksek performanslı sıvı kromatografisinde (HPLC) eser miktardaki kirleticilerin neden olduğu taban çizgisi kaymasını ve hayalet pikleri önlemek için hareketli faz olarak görev yapar.^[65] İndüktif eşleşmiş plazma kütle spektrometrisi (ICP-MS) kalibrasyonu ve analizi için UPW, spektral girişimleri önlemek ve femtogram seviyelerine kadar doğru eser element tespitini sağlamak amacıyla metalleri 1 ppb’nin altında sınırlamalıdır.^[66] Ek olarak, biyolojik araştırmalarda UPW, endotoksin, bakteri ve organiklerden arınmış olması sayesinde memeli hücre hatlarında tutarlı hücre canlılığını ve tekrarlanabilirliği desteklediği için hücre kültürü ortamlarının hazırlanmasında kullanılır.^[67]

Klinik ve Laboratuvar Standartları Enstitüsü (CLSI) gibi kuruluşlardan gelen laboratuvar standartları, teşhis uygulamaları için Tip I UPW’yi belirtir. Klinik tahlillerde güvenilir sonuçları garanti etmek için 18.2 MΩ·cm’yi aşan özdirenç ve 10 ppb’nin altında toplam organik karbon gerektirir.^[68] Bu saflık seviyeleri, küçük safsızlıkların bile deneysel sonuçları tehlikeye atabileceği toksikoloji ve biyokimya gibi alanlarda hassas ölçümler yapılmasını sağlar.

İzleme ve Analiz

Çevrimiçi İzleme Yöntemleri

Çevrimiçi izleme yöntemleri, üretim ve dağıtım sistemlerine entegre edilmiş hat içi sensörler ve analizörler aracılığıyla ultra saf su (UPW) kalitesinin sürekli, gerçek zamanlı değerlendirilmesini sağlar. Bu yöntemler, yüksek saflık uygulamaları için kritik olan iyonlar, organikler, partiküller ve çözünmüş gazlar gibi kirleticilerin eser seviyelerde kalmasını garanti eder. Bu teknikler, süreç kontrolü için anında geri bildirim sağlayarak, sapmaları son kullanım süreçlerini etkilemeden önce tespit edip duruş sürelerini ve kirlilik risklerini en aza indirir. Yarı iletken sınıfı su için SEMI F63 tarafından belirtilenler gibi standartları korumak amacıyla anahtar parametreler doğrudan akış akımında, genellikle ppb altı hassasiyetle ölçülür.^[7]

İletkenlik ve özdirenç probları, iyonik saflığı değerlendirmek için birincil hat içi araçlar olarak hizmet eder. 0.055 µS/cm’nin altında iletkenliği (25°C’de 18 MΩ·cm’yi aşan özdirence karşılık gelir) ölçme kapasitesine sahip olup, yukarı akış arıtma arızalarından kaynaklanan iyonik kaçaklara karşı uyarır. Temassız ölçüm için tipik olarak endüktif veya toroidal tasarımlara sahip olan bu problar, iletkenlik üzerindeki termal etkileri hesaba katmak için sıcaklık kompanzasyonludur ve kapsamlı koruma için UPW döngülerinde birden fazla noktada konuşlandırılır. Optik floresan sönümleme veya elektrokimyasal membran kaplı elektrotlar kullanan çözünmüş oksijen (DO) sensörleri, hassas üretim adımlarında oksidatif hasarı önlemek için gerekli olan 1 ppb’nin altındaki seviyeleri tespit eder; optik varyantlar, oksijenin az olduğu UPW ortamlarında uzun süreler boyunca sapmasız performans sunar. Işık engelleme veya saçılma prensiplerini kullanan lazer tabanlı partikül sayaçları, 0.05 µm’den büyük partikülleri nicelendirir. SEMI F63 uyarınca 0.1 µm üzerindeki boyutlar için 1 partikül/mL’nin altında tutulan sayımlarla, gerçek zamanlı olarak partikül artışlarını belirleyerek yarı iletken wafer işlemede verim korumasını doğrudan destekler.^[7]

Belirli kirleticileri hedeflemek için özel hat içi analizörler kullanılarak ek ölçümler izlenir. 254 nm’de UV absorbansı, toplam organik karbon (TOK) için bir vekil sağlar; organik konsantrasyonunu ışık zayıflamasıyla ilişkilendiren çift ışınlı spektrofotometri sayesinde elde edilen 0.003 absorbans biriminin (AU) altındaki tespit limitleri, 1 ppb’nin altındaki TOK’yi gösterir. Kolorimetrik silika analizörleri, çözünmüş silikayı molibdat ile reaksiyone sokarak ölçülebilir bir kompleks oluşturur ve silika kireçlenmesinin risk oluşturduğu enerji üretimi ve elektronik beslemelerinde 0.5 ppb’ye kadar çevrimiçi nicelendirme sağlar; bu, ASTM D5127 Tip E-1.3 spesifikasyonlarıyla uyumludur.^[1] Sodyum seviyeleri, düşük iyonik güçlü UPW matrislerinde yüksek seçicilik için bastırılmış iletkenlik tespiti kullanan, ng/L konsantrasyonlarında eser katyonları ayıran ve tespit eden kompakt iyon kromatografisi modülleri aracılığıyla değerlendirilir.

Bu sensörlerin entegrasyonu, UPW tesislerinde 7/24 uzaktan izleme, veri kaydı ve otomatik yanıtları kolaylaştıran denetleyici kontrol ve veri toplama (SCADA) sistemleri aracılığıyla gerçekleşir. Kritik parametreler için alarm eşikleri programlanır; örneğin, özdirencin 18 MΩ·cm’nin altına düşmesi, kirlenmiş bölümleri izole etmek ve sonraki etkileri önlemek için anında uyarıları ve potansiyel sistem kapanmalarını tetikler. Kablosuz bağlantı ve uç bilişimi (edge computing) içeren IoT özellikli sensörlerdeki son gelişmeler, yarı iletken fabrikalarında veri güvenilirliğini ve tahmine dayalı analitiği iyileştirmiştir. Makine öğrenimi tabanlı anomali tespiti yoluyla yanlış alarmları azaltırken tesis çapında otomasyonla sorunsuz entegrasyon sağlar.

Çevrimdışı Laboratuvar Analizi

Ultra saf suyun (UPW) çevrimdışı laboratuvar analizi, üretim sistemlerinden veya kullanım noktalarından ayrı ayrı numune alınmasını ve ardından gelişmiş enstrümantasyon kullanılarak ayrıntılı inceleme için özel bir laboratuvara taşınmasını gerektirir. Bu yaklaşım, gerçek zamanlı tespitten kaçabilecek ultra eser kirleticiler hakkında doğrulayıcı veriler sağlayarak sürekli çevrimiçi izlemeyi tamamlar ve yarı iletkenler ve ilaçlar gibi endüstrilerde katı saflık spesifikasyonlarına uyumu sağlar. Numuneler, tesadüfi kirlenmeyi önlemek için genellikle inert, önceden temizlenmiş kaplarda toplanır ve analiz, trilyonda bir seviyelerinin altındaki konsantrasyonlarda iyonik, organik, biyolojik ve partikül safsızlıklara odaklanır.^[69]

İndüktif eşleşmiş plazma kütle spektrometrisi (ICP-MS), sodyum, bakır ve kurşun gibi elementler için 0.01 milyarda bir (ppb) altındaki tespit limitlerine ulaşarak UPW’deki eser metalleri ölçmek için birincil yöntem olarak hizmet eder. Bu teknik, numuneleri bir plazma meşalesinde iyonize eder ve iyonları kütle/yük oranına göre ayırır. Yüksek saflıkta reaktifler ve poliatomik girişimleri azaltmak için çarpışma/reaksiyon hücreleri kullanıldığında minimum girişimle çok elementli analize olanak tanır. Örneğin, sodyum 0.001 ppb’ye kadar doğru bir şekilde tespit edilebilir; bu, femtogram seviyelerinin bile ürün verimini etkilediği uygulamalar için kritiktir. Farmasötik ortamlarda, metal içeriğinin süreç doğrulama gereksinimleriyle uyumlu olduğunu doğrulamak için UPW numuneleri genellikle haftalık olarak analiz edilir.^[70]^[71]^[72]

Toplam organik karbon (TOK) ve uçucu/yarı uçucu bileşikler dahil olmak üzere organik kirleticiler, TOK ve bireysel organikler için 0.5 ppb’nin altında tespit limitleri sunan gaz kromatografisi-kütle spektrometrisi (GC-MS) ile değerlendirilir. Numuneler, bir kapiler kolonda ayrılmadan ve kütle spektrumları ile tanımlanmadan önce katı faz ekstraksiyonu veya termal desorpsiyon yoluyla önceden konsantre edilir. Bu, borulardan sızabilecek hidrokarbonlar veya ftalatlar gibi bileşiklerin ayırt edilmesini sağlar. Bu yöntem, 0.5 ppb’nin altındaki TOK seviyelerini doğrulamak için gereklidir, çünkü daha yüksek kalıntılar mikrobiyal büyümeyi teşvik edebilir veya analitik tahlillere müdahale edebilir.^[73]^[74]

Endotoksin seviyeleri, bakteriyel endotoksinleri (lipopolisakkaritler) mililitre başına yaklaşık 0.005 endotoksin birimine (EU/mL) kadar tespit eden kromojenik veya türbidimetrik bir test olan Limulus Amebocyte Lysate (LAL) testi kullanılarak değerlendirilir. UPW’nin düzenleyici standartlara göre farmasötik uygulamalar için <0.25 EU/mL gibi limitleri karşılaması gerekir. Test, endotoksinin konsantrasyonla orantılı bir renk değişikliğini tetiklediği at nalı yengeci amebositlerinin pıhtılaşma kaskadından yararlanır ve spektrofotometrik olarak ölçülür; yanlış pozitifleri önlemek için ultra saf su, müdahale edici maddelerden arındırılmış olmalıdır. İlaç üretiminde, UPW’nin haftalık LAL testi, parenteral ilaç formülasyonu için uygunluğu sağlar.^[75]^[72]

Partikül karakterizasyonu, morfolojik görüntüleme ve enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi yoluyla elementel bileşim için taramalı elektron mikroskobu (SEM) veya mikrometre altı aralıktaki boyut dağılımı analizi için lazer kırınımı kullanır. SEM, filtrasyon ve kurutmadan sonra izole edilmiş partiküllerin yüksek çözünürlüklü görselleştirmesini sağlayarak nanometreye kadar şekil ve bileşimleri ortaya çıkarırken, lazer kırınımı hacim bazlı dağılımları türetmek için seyreltilmiş süspansiyonlardan topluluk saçılma modellerini ölçer. Bu teknikler, SEMI F63 yönergelerine göre 0.05 mikrometreden büyük mililitre başına 1 partikülün altındaki partikül sayılarını doğrular; bu, yarı iletken wafer işlemede kusurları önlemek için çok önemlidir.^[7]^[76]^[77]

Uçucu olmayan kalıntı (NVR), bilinen bir hacimdeki UPW’nin kontrollü koşullar altında (örneğin 105°C’de kızılötesi ısıtma) buharlaştırılması ve ardından kurutulmuş kalıntının gravimetrik ölçümü ile belirlenir ve eşdeğer yüzey alanı başına santimetrekare başına 10 nanogramın altındaki seviyeler hedeflenir. Bu yöntem, iletkenlik tarafından tespit edilmeyen uçucu olmayan iyonik ve organik maddeyi yakalayarak bütünsel bir saflık ölçütü sağlar; kalıntılar 0.1 mikrogram hassasiyetle mikro terazilerde tartılır. Yarı iletken uygulamalarında NVR analizi, bakım sonrası sistem temizliğini doğrular.^[78]

Standart protokoller arasında, iyonik olmayan silikayı 0.5 ppb’nin altında ölçmek için iyon kromatografisi veya molibdosilikat kolorimetrisini belirten silika tayini için ASTM D5127 yer alır, çünkü silika kireçlenmesi iyon değişim reçinelerini kirletebilir.^[1] Örnekleme, kilit noktalarda kimyasal ve endotoksin testleri için haftalık sıklığı öneren farmasötik kılavuzlara bağlı kalır ve doğruluk, sertifikalı referans malzemeler ve yöntem körleri (blanks) aracılığıyla sağlanır. Bu çevrimdışı sonuçlar, laboratuvara özgü önyargıları sokmadan sistem performansını doğrulamak için genellikle çevrimiçi özdirenç veya TOK okumalarıyla ilişkilendirilir.^[72]

Sistem Tasarımı ve Zorluklar

Tasarım İlkeleri ve Kapasite Planlama

Ultra saf su (UPW) sistemleri, ölçeklenebilirliği, bakımı ve yarı iletken üretim tesislerine entegrasyonu kolaylaştırmak için modüler tasarımlarla tasarlanmıştır ve üretim talepleri arttıkça aşamalı genişlemeye izin verir.^[28] Yedeklilik temel bir ilkedir ve rutin servis veya beklenmedik arıza süreleri sırasında kesintisiz tedarik sağlamak için genellikle çift ters osmoz (RO) hatları ve paralel işleme üniteleri aracılığıyla uygulanır.^[79] Bu sistemler, tesisin ölçeğine ve süreç gereksinimlerine göre uyarlanmış yarı iletken uygulamalarında tipik olarak 100 ila 1000 m³/saat akış hızlarını işler.^[80] Enerji optimizasyonu, güç tüketimini ve membran kirlenmesini en aza indirirken süzüntü geri kazanımını en üst düzeye çıkarmak için 10-20 bar işletme basınçlarının uygulandığı RO aşamalarına odaklanır.^[81]

Kapasite planlaması, fabrikalardaki genel sistem boyutlandırmasına rehberlik eden (öncelikle wafer durulama ve işlem seyreltme için) UPW’nin son kullanım talebinin değerlendirilmesiyle başlar.^[8] Tepe talep, toplu işleme gibi yüksek hacimli operasyonlar sırasındaki dalgalanmaları karşılamak için ortalamanın 1.5 katı olarak hesaba katılır.^[82] Sistem boyutlandırması, genellikle 100-300 m³/saat arasında değişen tesis talepleri ile yarı iletken durulamada wafer başına 4-5 m³ gibi işlem hacimlerini hesaba katar.^[48]

Temel bileşenler sıralı bir düzen oluşturur: Ön arıtma üniteleri kaba kirleticileri giderir, ardından RO, iyon değişimi ve ultraviyole (UV) arıtma yoluyla çekirdek saflaştırma yapılır ve dalgalanmaları tamponlamak için genellikle 1000 m³’e ulaşan kapasitelere sahip, korozyon direnci ve saflığın korunması için poliviniliden florür (PVDF) ile kaplanmış depolama tanklarında son bulur.^[83] Bu elemanlar, 18 MΩ·cm’yi aşan özdirence kademeli olarak ulaşmak için çok aşamalı arıtma tekniklerini entegre eder.^[8] 2025 itibarıyla, gelişen trendler, genel verimliliği artırmak için kestirimci bakım ve sistem optimizasyonu amacıyla yapay zekayı (AI) içermektedir.^[84]

Güvenlik, sirkülasyonu ve basınç stabilitesini koruyarak arıza tespiti üzerine otomatik olarak geçiş yapan yedekli pompalarla önceliklendirilir.^[85] UV sistemleri, güç kaybı veya lamba arızası durumunda kapanan ve arıtılmamış su girişini önleyen otomatik kapatma vanaları gibi arıza emniyetli (fail-safe) mekanizmaları içerir.^[86]

Kirlilik Kontrol Stratejileri

Ultra saf su (UPW) sistemlerinde kirlilik kontrolü, havadaki partiküllerden, mikroorganizmalardan ve sistem bileşenlerinden kaynaklanan safsızlıkları en aza indirmek için çevresel entegrasyon, rutin bakım ve hedeflenen filtrasyonun bir kombinasyonuna dayanır. ISO 14644-1 Sınıf 1 altında sınıflandırılan temiz oda ortamları, harici kirlilik girişini önlemek için ≥0.1 µm boyutlarında havadaki partikül konsantrasyonlarının metreküp başına 10 partikülün altında kalması gereken yarı iletken üretimi gibi yüksek hassasiyetli uygulamalarda UPW dağıtımı ve kullanım noktası için gereklidir.^[87] Düzenli sanitizasyon protokolleri, kimyasal kalıntılar sokmadan biyofilmleri ve bakterileri termal olarak inaktive etmek için 65–80°C sıcaklıklarda periyodik sıcak suyla yıkamayı veya işlem sonrası oksijene ayrışan alternatif bir oksidan olarak ozon dozlamasını içererek sistem bütünlüğünü daha da korur.^[25] Kullanım noktasında (POU), 0.2 µm ultrafiltrasyon (UF) membranları son bariyerler olarak hizmet eder, mikron altı partikülleri, organikleri ve artık mikropları etkili bir şekilde yakalayarak teslim edilen suyun kusursuz standartları karşılamasını sağlar.^[88]

Partikül yönetimi, mekanik aşınma olmadan yüzey temizliğini korumak için tipik olarak planlı duruş sürelerinde gerçekleştirilen, kavitasyon kaynaklı kesme kuvvetleri yoluyla yapışan kirleticileri yerinden çıkaran depolama tanklarının ultrasonik temizliğini de kapsayacak şekilde sistem bileşenlerine uzanır.^[89] Dağıtım borularında akış hızları, boru duvarı erozyonunu ve ardından gelen partikül dökülmesini azaltmak için 1.5 m/s’nin altında kesinlikle sınırlandırılmıştır; bu, küçük malzeme bozunumunun bile toplam organik karbon (TOK) seviyelerini yükseltebileceği paslanmaz çelik veya floropolimer hatlarda kritik bir önlemdir.^[90] Mikrobiyal kontrol, devridaim döngülerinde 254 nm dalga boylarında sürekli ultraviyole (UV) dozlamasını içerir; bu, planktonik bakterileri inaktive etmek ve yeniden büyümeyi engellemek için yeterli bir doz sağlar ve genellikle yüksek türbülans ile birleştirildiğinde canlı sayımlarda %99.99’dan fazla azalma sağlar.^[91]

Biyofilm oluşumu, özellikle boru çapının 1.5–2 katının ötesindeki durgun boru segmentleri olan ölü noktalarda (dead legs) kalıcı bir zorluk teşkil eder. Burada düşük kesme (shear) kuvveti, mikrobiyal yapışmaya ve çoğalmaya izin vererek kolonileri potansiyel olarak ana akışa salar. Bunlar, kimyasal katkı maddeleri olmadan biyofilmleri mekanik olarak kazıyan ve temizleyen, hidrolik verimliliği geri kazandıran ve endotoksin risklerini azaltan buzla temizleme (ice pigging) gibi boru hattı temizleme teknikleri ile hafifletilir. Çalışmalar, vanaların önemli kirlilik kaynakları olduğunu vurgulamakta ve kusurlu contalar ve çatlaklar nedeniyle UPW döngülerinde partikül ve bakteriyel artışlara önemli ölçüde katkıda bulunduklarını göstermektedir. Genel sistem performansı, son kullanım uygulamalarında sıfır hatayı hedefler. Yarı iletken süreçlerinde %99’un üzerinde verimi sürdürmek için vana sızıntısı veya ölü nokta durgunluğu gibi yüksek riskli modlara öncelik vererek proaktif kök neden tespiti için Hata Türü ve Etkileri Analizi (FMEA) kullanır.^[92]^[93]^[94] Çevrimiçi izleme, saflığı korumak için hızlı müdahaleye izin vererek artışların erken tespitini sağlayarak bu stratejileri tamamlar.^[95]

Dağıtım ve Sürdürülebilirlik

Taşıma ve Borulama Yöntemleri

Ultra saf suyun (UPW) taşınması ve dağıtımında, sızdırma (leaching) veya geçirgenlik (permeation) kaynaklı kirlenmeyi önlemek için malzeme seçimi kritiktir. Poliviniliden florür (PVDF) ve perfloroalkoksi alkan (PFA) gibi termoplastikler, yüksek kimyasal eylemsizlikleri, mekanik mukavemetleri ve oksijen ve azot gibi yaygın gazlar için tipik olarak $10^{-10}$ ila $10^{-11} \text{ cm}^3 \cdot \text{cm}/(\text{cm}^2 \cdot \text{s} \cdot \text{cmHg})$ mertebesinde olan çok düşük gaz geçirgenlikleri nedeniyle tercih edilir.^[96]^[97] Bu malzemeler iyonik ve gaz girişini en aza indirerek 1 µS/cm iletkenliğin altında su saflığı seviyelerini garanti eder. Paslanmaz çelik, belirli koşullar altında UPW’ye demir ve krom gibi metal iyonları sızdırarak kirlenmeye ve potansiyel korozyona yol açabileceğinden genellikle kaçınılır.^[98]

Bu termoplastik borular için birleştirme teknikleri, sızdırmaz, kirlenmeye dirençli bağlantıları vurgular. Alın füzyonu (butt fusion) ve elektrofüzyon (electrofusion) dahil olmak üzere füzyon kaynak yöntemleri, ek sızdırmazlık maddeleri olmadan monolitik, dikişsiz eklemler oluşturmak için PVDF ve PFA için yaygın olarak kullanılır.^[99]^[100] Yardımcı hatlardaki yüksek yoğunluklu polietilen (HDPE) bileşenler için ASTM F2620 gibi standartlar, basınç altında eklem bütünlüğünü sağlamak üzere soket ve alın füzyonu prosedürlerine rehberlik eder. Solvent çimentolama, izin verilen yerlerde polivinil klorür (PVC) bölümler için uygulanırken, sıkıştırma (compression) bağlantı parçaları daha küçük çaplar için hızlı, aletsiz montaj sağlar, ancak aşınmaya bağlı sızıntıları önlemek için periyodik inceleme gerektirirler. Bu yöntemler, partikül oluşumunu önlemek için boşluksuz bağlara öncelik veren yarı iletken sınıfı UPW sistemleri için SEMI standartlarına uygundur.

UPW için dağıtım sistemleri, su kalitesini korumak ve durgunluğu önlemek için tipik olarak sürekli devridaim yapan halka şebekeler (ring mains) kullanır. Akış hızları, biyofilm kontrolü için kesme kuvveti ile aşırı basınç kaybı arasında denge kurmak ve kullanım noktalarına homojen dağıtım sağlamak için 1-2 m/s seviyesinde tutulur.^[101]^[102] Kullanılmayan boru dalları olan ölü kollar, kalış süresini ve mikrobiyal büyüme risklerini azaltmak için boru çapının 3 katından (3D) daha az olacak şekilde en aza indirilir. Bu sistemlerdeki basınç düşüşleri Darcy-Weisbach denklemi kullanılarak hesaplanır:

$$ h_f = f \frac{L}{D} \frac{v^2}{2g} $$

Burada $h_f$ yük kaybı, $f$ sürtünme faktörü, $L$ boru uzunluğu, $D$ çap, $v$ hız ve $g$ yerçekimi ivmesidir; bu, pompaların hatları aşırı basınçlandırmadan uygun şekilde boyutlandırılmasını sağlar.^[103]

Son yenilikler arasında, Junkosha gibi üreticiler tarafından 2024 yılında tanıtılan ve basitleştirilmiş yönlendirme ve daha az bağlantı parçası ile yarı iletken uygulamaları için ıslak işlemlerde dayanıklılığı artıran yüksek bariyerli esnek PFA borular yer almaktadır.^[104] Bu ilerleme, saflıktan ödün vermeden esnekliği artırarak temiz odalarda ölçeklenebilir UPW dağıtımını destekler.

Geri Dönüşüm ve Çevresel Hususlar

Yarı iletken üretiminde, ultra saf su (UPW) durulama suyunun geri dönüşümü, kirleticileri giderirken wafer temizleme ve aşındırma işlemlerinde yeniden kullanım için saflığı geri kazandıran ters osmoz (RO) ve ultraviyole (UV) yeniden arıtma süreçleri yoluyla yaklaşık %86’lık geri kazanım oranlarına ulaşır.^[105] Örneğin, TSMC tarafından işletilenler de dahil olmak üzere Tayvan merkezli tesisler, optimize edilmiş atık su ayrıştırma ve arıtma sistemleri sayesinde %90’ı aşan yeni fabrikalarla ortalama %86 proses suyu geri dönüşüm oranları bildirmektedir.^[106] İlaç endüstrisinde UPW’nin yeniden kullanımı, ilaç üretiminde mikrobiyal kontaminasyonu önlemeye öncelik veren katı sterilite gereksinimleri nedeniyle daha kısıtlıdır. Genellikle, daha düşük dereceli geri kazanılmış suyun daha yüksek saflıktaki döngülere yükseltilmeden önce soğutma gibi kritik olmayan süreçleri desteklediği kademeli sistemler kullanılır.^[107]^[108]

Temel geri dönüşüm yöntemleri, %90’a varan genel su geri kazanımı elde etmek için çok aşamalı filtrasyonu elektrodiyonizasyon (EDI) ile entegre eder. Burada ilk RO aşamaları besleme suyunun %75-90’ını süzüntü olarak reddeder, ardından her iki sektördeki UPW uygulamaları için gerekli olan 18.2 MΩ·cm özdirenci elde etmek için EDI parlatma yapılır.^[107] Ek olarak, RO tuzlu su (brine) akışlarından enerji geri kazanımı, hidrolik enerjiyi yüksek basınçlı atıktan gelen besleme suyuna %98’e varan verimlilikle aktaran basınç değiştirici (PX) cihazlarını kullanır ve büyük ölçekli endüstriyel arıtımda operasyonel enerji taleplerini azaltır.^[109]

Bu uygulamalar, UPW üretiminden kaynaklanan çevresel baskıları, özellikle su kıtlığını hafifletmektedir. Yarı iletken fabrikaları, endüstrinin ada çapındaki toplam kullanımın yaklaşık %10’unu oluşturduğu Tayvan gibi yüksek stresli bölgelerde yerel tatlı su kaynaklarının %10-20’sini tüketebilir.^[110] Bu operasyonlardan kaynaklanan atık su, iyonlar, organikler ve metallerden kaynaklanan su kirliliğini en aza indirmek için AB Su Çerçeve Direktifi kapsamındaki düzenleyici eşiklerle uyumlu olarak deşarj veya yeniden kullanımdan önce 500 ppm’nin altındaki toplam çözünmüş katı (TDS) seviyelerine kadar arıtılır.^[105] 2025 AB Su Dayanıklılığı Stratejisi, 2030 yılına kadar genel tüketimde %10’luk bir azalma hedefleyerek endüstriyel su geri dönüşümünü daha da teşvik etmekte, AB topraklarının %29’unu etkileyen artan kıtlığın ortasında yarı iletkenler ve ilaçlar gibi sektörleri yeniden kullanım altyapısını geliştirmeye teşvik etmektedir.^[111]

Tekrarlanan UPW yeniden kullanım döngülerindeki birincil zorluk, durulama sularındaki, membranlardaki ve oksidasyon yan ürünlerindeki eser organiklerden kaynaklanan toplam organik karbonun (TOK) birikmesidir; bu, ppb altı seviyeleri aşarsa wafer verimini veya ilaç sterilitesini tehlikeye atabilir.^[112] Bu durum, ikincil kirleticiler oluşturmadan verimli organik parçalanma için hidroksil radikalleri üreterek TOK’yi 1 ppb’nin altına düşüren UV-hidrojen peroksit sistemleri gibi ileri oksidasyon süreçleri (AOP’ler) aracılığıyla ele alınır.^[112] Örneğin, Intel’in Chandler tesisi, 2023 yılında entegre geri dönüşüm çabalarıyla net pozitif su statüsüne ulaşmış, TOK’yi AOP entegrasyonuyla yönetirken yarı iletken operasyonlarında ölçeklenebilir sürdürülebilirliği göstermiştir.^[113]