CSM – Materiály vhodné do čistých prostor

Obrázek 1: Čistý prostor vhodná tribologická zkušebna na Fraunhofer IPA pro stanovení tříd emisí částic z povrchů materiálů. Zkušebna je instalována v čistém prostoru třídy ISO 1, aby se předešlo křížové kontaminaci.

Obrázek 2: Mikroemisní komora na Fraunhofer IPA pro stanovení tříd VOC emisí z povrchů materiálů.

Obrázek 3: Klasifikace chování uvolňování plynů u těkavých organických sloučenin (VOC) u některých testovaných podlahových krytin a nátěrů.

Obrázek 4: Hodnocení chemické odolnosti vzorku materiálu podle ISO 2812-1 a ISO 4628-1 až -5. Příkladný výběr dvou testovaných chemikálií.

Obrázek 5: Příklad hodnocení chemické odolnosti vzorku materiálu podle VDI 2083 list 17.

Obrázek 6: Zkouška podlahové krytiny Sikafloor 390 podle metod ISO 846 A a C. Vlevo výchozí vzorek, uprostřed a vpravo po 4 týdnech inkubace.

Obrázek 7: Vlevo: Trhliny na povrchu materiálu při 50násobném zvětšení. Vpravo: Lineární simulátor šmouhy.

Abb. 8: Testní znečištění na povrchové úpravě podlahy zaschlé přes dvě hodiny, tři po sobě jdoucí čištění.

Obrázek 9: Klasifikace chemické a biologické odolnosti, antimikrobiálních vlastností a čistitelnosti na základě testu riboflavinu.

Obrázek 10: Příkladný štítek CSM.

1. Úvod

Mnoho materiálů a stavebních materiálů může kvůli svým vlastnostem kontaminovat čisté výrobní prostředí a je tak zásadním faktorem při dosažení a udržení požadované čistoty.

Emise z kloubu manipulační jednotky mikroskopických částic může citlivě kontaminovat okolní výrobní prostředí. Mnoho těchto mikroskopických částic zůstává jako aerosol dlouhou dobu ve vzduchu a může sedimentovat na kritických površích vzdálených od emisního zdroje. Sedimentovaná částice o průměru 500 nm může úplně znemožnit použití waferu v polovodičové výrobě pro následující procesy.

Vzduchem přenášené chemické kontaminace se mohou adsorbovat na povrchy a tím je trvale poškozovat. Například kondenzace změkčovadel na waferech mění jejich povahové vlastnosti pro následující etchingové kroky. Dusíkaté sloučeniny (vzduchem přenášené aminy a amoniak) mohou i ve stopových množstvích napadat fotolaky a způsobovat tak chybné expozice. Organické sloučeniny přenášené vzduchem (VOC) kondenzují na optických systémech a způsobují tak chyby při expozici.

Shromažďování procesní vody v podlahových spárách, které jsou utěsněny méně kvalitním těsnícím materiálem, může umožnit dobré usazení případných spor šířících se plísněmi (vzhledem k místním podmínkám růstu – vlhkost, teplota, živiny) a tím se stát významným zdrojem infekce. Koroze materiálu vlivem agresivního čisticího prostředku nejenže ztrácí své požadované vlastnosti, ale může se stát i nebezpečným zdrojem emisí částic.

Chemické vlivy mohou také způsobit prasknutí materiálu. Při následném mechanickém zatížení vznikají trhliny, které již v mikroskopickém měřítku mohou představovat riziko, protože mikroorganismy v nich obsažené se mohou vyhnout účinnému čištění a sterilizaci.

U podlahových a stěnových systémů musí být zajištěna dostatečná čistitelnost běžnými metodami a prostředky. Přitom nesmí být při podlahových systémech opomenuta požadovaná protiskluzová ochrana podle požadavků profesních sdružení.

Nařízení o biologických látkách stanovuje například v příloze 2 povinnost pro všechny ochranné stupně používat vodotěsné a snadno čistitelné povrchy. Dále doporučuje od úrovně 2 dostatečnou odolnost vůči kyselinám, louhům, dezinfekčním prostředkům a rozpouštědlům. U reaktivních systémů (epoxidové podlahy a další) je třeba dbát na nízké emisní chování organických kontaminantů, aby byla zajištěna ochrana osob a případně i produktu při kritických procesech. Pokud dojde k tribologickému namáhání materiálu (ložiska, zatížení podlahového systému, ...), nesmí být při tomto namáhání generovány kritické částice přenášené vzduchem.

Vhodné materiály musí být odolné vůči použitým chemickým čisticím a dezinfekčním prostředkům v prostředí s kritickou kontaminací. Při specifickém tribologickém namáhání nesmí materiálové páry vést k nežádoucím vysokým emisím částic. V mnoha výrobních oblastech je povoleno používat pouze materiály s nízkou emisí plynů. V hygienickém prostředí nesmí být použité materiály osídleny mikroorganismy nebo je metabolizovat. Povrchová úprava musí být navržena tak, aby umožnila bezvadné čištění.

Pro srovnání výběru materiálů je třeba podle případu porovnat emisní chování a emise částic při tribologickém zatížení, chemické a mikrobiální vlastnosti a čistitelnost prostřednictvím odpovídajících standardizovaných zkoušek různých materiálů. K tomu vyvinul Fraunhofer IPA v rámci průmyslové sítě CSM – čisté prostory vhodné materiály standardizované zkušební metody, které jsou dále popsány.

2. Testy materiálů CSM pro srovnatelné klasifikace materiálů

2.1 Emise částic

Pokud je materiál mechanicky namáhán třením s jiným materiálem, vzniká obvykle opotřebení materiálu ve formě částic. To může být způsobeno klouzavým třením koleček, například v kuličkových ložiskách, nebo třením adhezivním, například při chůzi s obuví po podlaze. Aby bylo možné provést srovnání mezi různými materiály z hlediska jejich uvolňování částic při tribologickém zatížení, používá Fraunhofer IPA pro zkoušky emisí částic v rámci CSM průmyslové sítě speciálně vyvinutý testovací stroj Material-Inspec. Tento je provozován v referenčním čistém prostoru třídy ISO 1, aby se eliminovaly chyby měření způsobené cizími částicemi ze vzduchu. Pro srovnání klasifikace se při zkouškách uvažuje buď klouzavé tření nebo valivé tření, podle typu materiálové skupiny. Protiválec při valivých zkouškách je standardizovaná polyamidová kolečka, která simulují valení přepravních koleček. Při klouzavých zkouškách je na zkoušený materiál tlačeno standardizovaná nerezová kulička. Tlak přítlaku i úhlová rychlost jsou konstantní. Díky laminárnímu proudění vzduchu s rychlostí v = 0,45 m/s od stropu čisté místnosti přes perforovanou podlahu jsou během zkoušky vznikající částice přímo vedeny vertikálně dolů do měřící sondy na přenos vzdušných částic. Vzduch při výstupu z filtračního krytu je obohacen bipolarními koronárními ionizátory s kladnými a zápornými ionty, které neutralizují náboj vznikající tribologickým třením na zkoušených materiálových párech. Tímto způsobem se generované částice nelepí na povrchy materiálu elektrostatickými efekty, ale jsou přímo vedeny turbulencí vzduchu k částicovému čítači.

Instalovaný rozptylový částicový čítač detekuje všechny částice s průměrem > 0,2 µm a třídí počet částic podle jejich velikosti do předdefinovaných kanálů velikostí částic. Měření trvá minimálně hodinu, aby bylo možné zohlednit výskyt jednotlivých událostí. Výsledkem je po kumulaci a transformaci dat materiálově specifické hodnocení z hlediska opotřebení částicemi při tribologickém zatížení. Tento postup je podrobně popsán v aktuální směrnici VDI 2083 list 17 z června 2013 a je standardizován. Získaná materiálová charakteristika ISOm třídy umožňuje přímé srovnání různých materiálů z hlediska jejich přispění k možnému znečištění čistého prostředí částicemi při tribologickém namáhání (viz obr. 1).

2.2 Emise

Chování materiálů vhodných pro čisté prostory z hlediska emisí je stále důležitější. Při použití vhodných materiálů je třeba dodržovat zákonné limity expozice na pracovišti (MAK hodnoty). Na druhé straně mohou vypouštějící kritické sloučeniny a třídy sloučenin vést k nežádoucím efektům v kontaminací kritických výrobních procesech. Komponenty materiálů, které vypouštějí, (měkčovadla, rozpouštědla, další těkavé složky) hrají klíčovou roli při znečištění vzduchu molekulárními kontaminanty přenášenými vzduchem (airborne contamination by chemicals, ACC). Nejvýznamnější roli hrají organické sloučeniny přenášené vzduchem (volatile organic compounds, VOC). Tyto molekulární kontaminanty byly identifikovány jako jeden z hlavních důvodů tzv. „Sick Building Syndromu“.

Popisovaná metoda umožňuje srovnání různých materiálů z hlediska jejich emisí těkavých organických sloučenin a na základě toho tvorbu žebříčku pro výběr a klasifikaci. Množství vypouštěných organických sloučenin závisí na jejich povrchu, době emisí, stáří a teplotě zkoušky. Materiálově specifická emisní rychlost povrchu (SERa) se vztahuje k těmto parametrům a udává se jako hmotnost na plochu a čas při pokojové teplotě. Jako standardizovaná srovnatelná zkušební metoda se používají měření pomocí mikrokamery. Určení emisí probíhá sběrem a koncentrací těkavých sloučenin na adsorpčním nosiči a následnou analýzou termodesorpcí a spojenou plynovou chromatografií s hmotnostním spektrometrem (TD-GC/MS).

Vzorky jsou voleny s ohledem na geometrii a povrchovou úpravu tak, aby odpovídaly budoucímu použití materiálu. Konstrukce vrstev u vícevrstvých aplikací odpovídá plánovanému použití. Jako nosičové materiály bez VOC se používají skleněné nádoby z borosilikátového skla. Předběžná kondice vzorků probíhá po dobu 30 dnů za kontrolovaných klimatických podmínek (teplota 22 ± 1 °C, relativní vlhkost 45 %). Při skladování je zabráněno kontaminaci vzorků použitím miniaturního prostředí s filtrace VOC. Prostředí s nižší emisí VOC by mělo být alespoň o jednu třídu lepší než očekávané hodnocení VOC zkoušeného materiálu.
Po usazení jsou materiálové vzorky temperovány v mikro-zkušební komoře při atmosférickém tlaku při standardní teplotě 22 °C ± 1 °C po dobu jedné hodiny. Těkavé organické sloučeniny z materiálové vzorky jsou svedeny pomocí proudu vzduchu do sorpčního nosiče a tam adsorbovány. Analýza sorpčního nosiče probíhá termodesorpcí a spojenou plynovou chromatografií s hmotnostním spektrometrem. Pomocí termodesorpce (TD) jsou VOC desorpovány ze sorpčního nosiče a zpřístupněny následné analýze podle VDA 278. Z naměřených hodnot je určena materiálově specifická povrchová emisní rychlost SERa, která může být dále standardizována jako jednoduché klasifikační číslo ISO-ACCm třídy x (VOC). Tento postup je rovněž standardizován v nové směrnici VDI 2083 list 17 (viz obr. 2).

Obrázek 3 ukazuje výběrově rozmezí dosažených tříd ISO-ACCm (VOC) u některých testovaných podlahových krytin a povlaků.

2.3 Chemická odolnost

Pro testování chemické odolnosti existuje několik mezinárodně uznávaných standardů. Zejména pro zkoušky materiálů se osvědčily metody ponoření podle DIN EN ISO 2812-1 nebo modifikovaná metoda skvrny podle VDI 2083 list 18. Vzhledem k tomu, že nelze předem znát chemické spektrum konečných čisticích nebo dezinfekčních prostředků, musí být testováno reprezentativní spektrum možných chemikálií při maximální očekávané koncentraci. Tento přístup umožňuje základní posouzení chemické odolnosti materiálu, ale nemůže poskytnout definitivní informace o konkrétním čističi nebo dezinfekčním prostředku. Tento přístup byl rovněž vypracován v rámci CSM průmyslové sítě a je standardizován v VDI 2083 list 17 a list 18. V metodě CSM je chemická odolnost testována vůči následujícím deseti reprezentativním reagentům, podle očekávané maximální koncentrace v čistících a dezinfekčních médiích:

Chemikálie při plynulých sterilizačních procesech:
• Formaldehyd (37 %)
• Peroxid vodíku (30 %)
• Peroctan kyseliny peracetové (15 %)

Alkoholy pro čištění a dezinfekci:
• Isopropanol (100 %)

Zásady jako složky alkalických čisticích prostředků:
• Hydroxid sodný (5 %)
• Ammoniak (25 %)

Kyseliny jako složky kyselých čisticích prostředků:
• Kyselina sírová (5 %)
• Kyselina chlorovodíková (5 %)
• Kyselina fosforečná (30 %)

Chlorové čisticí prostředky:
• Hypochlorit sodný (5 %)

Celý vzorek materiálu je vložen do nádoby naplněné příslušnou chemikálií, která je následně hermeticky uzavřena. Pokud je třeba testovat povrchovou vrstvu na nosiči, je nutné zajistit, aby všechny povrchy a hrany nosiče byly utěsněny. U modifikované metody skvrny podle VDI 2083-18 se testovací látka vloží do skleněné nádoby. Uzávěr nádoby a testovací plocha jsou přiloženy, upnuta do zařízení a hermeticky uzavřeny. Poté je testovací sestava otočena o 180°, aby testovací látka mohla přijít do kontaktu s povrchem vzorku.

Testované objekty jsou vystaveny po dobu jedné, tří, šesti a 24 hodin různým reagentům při pokojové teplotě a následně jsou kontrolovány na viditelné změny. Hodnocení provádí vizuálně při zvětšení desetkrát podle kritérií: změna lesku, zbarvení nebo žloutnutí, praskliny, tvorba bublin, množství poškození, velikost poškození a intenzita změn.

Pro vyhodnocení jsou podle ISO 4628-1 až -5 přiřazeny jednoznačné hodnoty. Nejhorší hodnota každé chemikálie po 24 hodinách je použita pro srovnání. Průměr všech deseti hodnot pak určuje klasifikační a srovnávací hodnotu v rámci CSM. (viz obr. 4 a obr. 5)

2.4 Biologická odolnost

Pro zkoumání biologické odolnosti, tj. do jaké míry jsou použité materiály inertní vůči bakteriím a plísním, se osvědčil mezinárodní standard zkoušek ISO 846. Tato zkouška slouží k posouzení, zda se zkušební materiál při stanovených podmínkách chová inertně vůči plísním (metoda A) a bakteriím (metoda C), nebo zda mohou být materiály mikroorganismy metabolizovány. Metody jsou inkubovány při 24 °C a 95 % relativní vlhkosti a po čtyřech týdnech jsou vizuálně vyhodnoceny. Číselné hodnocení ISO u obou metod A a C je přiřazeno hodnotící číslo, které je založeno na „nejhorším scénáři“ obou metod. (viz obr. 6)

2.5 Mikrobicidní vlastnosti

Možná mikrobicidní vlastnost materiálu může být rozdělena na baktericidní účinnost (účinek proti bakteriím) a fungicidní účinek (účinek proti plísním).

Určení baktericidní účinnosti se provádí podle ISO 22196. Při tom jsou povrch s baktericidní úpravou a povrch bez této úpravy inkubovány s bakteriemi Staphylococcus aureus a Escherichia coli. Po 24 hodinách se stanoví počet kolonií (KBE) u ošetřeného a neošetřeného vzorku pomocí metody přenosu. Hodnota je odvozena od redukčního faktoru R = log(KBE neošetřeného / KBE ošetřeného). Při metodě přenosu se na rovnou plochu s definovaným tlakem a délkou kontaktu (pět sekund, s takovým tlakem, aby se co nejvíce dostalo do kontaktu celé povrchové plochy s médiem, nejlépe s použitím závaží 1 kg) nanese pevné inkubační médium (Casein-Soja-Pepton-Agar). Inkubace probíhá podobně jako u ostatních kultivačních metod.

Určení případné fungistatické nebo fungicidní účinnosti lze provést podle ISO 846 metoda B. Hodnocení se provádí na základě přítomnosti inhibičního kruhu (hemohofu), který vznikne po umístění vzorku na předem úplně osázenou Petriho misku, a určuje se podle toho, zda je přítomna fungistatická nebo fungicidní vlastnost.

2.6 Čistitelnost – Test riboflavinu

Dostatečná čistitelnost je z hygienického hlediska obecně nutná pro zajištění hygienicky bezpečného procesu a co nejdelší životnosti výrobků. Jak dobře lze materiál vyčistit pomocí utírání, lze ověřit pomocí následující standardizované zkušební metody.

Postup vychází z testu riboflavinu sdružení německých strojírenských a zařízení výrobců (VDMA). Cílem této zkoušky je kvalitativní důkaz, do jaké míry lze fluorescenční zkušební kontaminaci snížit použitím reprezentativně zvoleného čisticího postupu. K tomu se vytvoří fluorescenční zkušební znečištění, kterým je zkoušený kontaminant. Výhodou fluorescenčního zkušebního kontaminantu je velmi nízká detekční hranice a vynikající lokalizovaná dokumentace obrazu. Zkušební kontaminace se nechá zaschnout po dobu dvou hodin. Poté se povrch materiálu pomocí lineárního simulátoru utírání s třemi tahy navlhčí a vyčistí (první tah: odstranění kontaminace, druhý tah: očištění zkušebního znečištění, třetí tah: odstranění případných přenesených částic). Po vyčištění se případná zbytková kontaminace detekuje pomocí fluorescenčního záření s podrobnou dokumentací obrazu. Pro statistickou jistotu se provádí tři opakované pokusy. Vyhodnocení testu se provádí podle ISO 4628-2 „Hodnocení poškození povrchových úprav“. Zde se fluorescenční zbytky hodnotí podle množství a velikosti a přiřazují se hodnotící čísla podle ISO 4628-1. Tato hodnocení nezohledňují pouze místa, kde je čištění nemožné kvůli povrchovým vadám (trhliny, díry apod.) nebo textuře povrchu (drsnost, mikrostruktura apod.). Následně se provádí klasifikace podle VDI 2083 list 17. (viz obr. 7)

Na obr. 8 je ukázkově znázorněna obrazová dokumentace zkoušky čistitelnosti povrchu materiálu.

2.7 Klasifikace CSM

Postup pro klasifikaci CSM z hlediska emisí částic u materiálových párů je podrobně popsán a standardizován v směrnici VDI 2083 list 17. Získané materiálové číslo je uvedeno jako třída ISOm. Pro klasifikaci emisí při odpařování materiálů se získané materiálově specifické povrchové emisní rychlosti SERa převede na příslušnou třídu ISO-ACCm x (VOC) jednoduchým logaritmickým převodem hodnoty SERa. Klasifikace CSM chemické a biologické odolnosti, mikrobicidních vlastností a čistitelnosti na základě testu riboflavinu je provedena podle schématu zobrazeného na obr. 9.

3. Shrnutí

Zohlednění různých aspektů čistoty v prostředích s citlivou kontaminací vyžaduje rozsáhlé znalosti při výběru vhodných materiálů. Spolehlivé metody pro testování a hodnocení vhodnosti materiálů z hlediska čistoty umožňují objektivní srovnání. Postup byl standardizován v směrnici VDI 2083 list 17. Mezinárodní standardizace na základě této směrnice je již v běhu v rámci ISO. Díky řadě testů materiálů vzniká rozsáhlá databáze o vhodnosti materiálů pro prostředí s citlivou kontaminací. Na stránkách www.tested-device.com a www.ipa-csm.com byly zřízeny první veřejně dostupné databáze čistých a hygienických materiálů a zařízení od Fraunhofer IPA. Materiály a jejich výsledky, které jsou zpřístupněny veřejnosti, lze kdykoli zobrazit. Tím je již ve fázi návrhu výrobního prostředí umožněn cílený výběr materiálů vhodných pro prostředí s citlivou kontaminací. (viz obr. 10)

4. Další literatura

- Keller, Markus (2010): Emise materiálů vhodných do čistých prostor. ReinRaumTechnik (č. 3), s. 14–17.

- Keller, Markus (2011): Přehled CSM setkání 2011. ReinRaumTechnik 13 (č. 2), s. 10.

- Keller, Markus (2012): Vznikající typ kontaminace. Molekulární znečištění v čistých prostorách. ReinRaumTechnik 14 (č. 3), s. 24–26

- Keller, Markus; Gommel, Udo (2012): Výzkum systémů podlahových systémů v čistých prostorách. TechnoPharm 2 (č. 1), s. 30–41.

- Keller, Markus; Gommel, Udo; Verl, Alexander (2012): Testovací postup pro stanovení materiálově specifických emisních rychlostí VOC a model předpovědi úrovní VOC v kontrolovaných výrobních prostředích. Chemical Engineering Transactions 30, s. 301–306.

- Keller, Markus; Gommel, Udo (2013): Výzkum hygienických podlahových systémů – emise částic a VOC, chemická a biologická odolnost a čistitelnost. In: EHEDG European Hygienic Engineering & Design Group (Hg.): EHEDG Yearbook 2013/2014. Frankfurt: VDMA Verlag GmbH, s. 30–41.