Nejčistší místo Institutu Paula Scherera

V čistých prostorách Institutu Paul Scherrer PSI probíhají vysoce citlivé procesy. Jediný prachový částeček na nesprávném místě by mohl mít fatální následky. Pohled za kulisy do místností, ve kterých je kvůli čistotě dokonce zakázáno používat tužky.

Kdo navštíví školení o čistých prostorách u Martina Bednarzika, vedoucího skupiny technologie v laboratoři mikro- a nanotechnologie LMN PSI, a jeho kolegyně Anji Weberové, bude se po tom pohledu na své okolí nutně dívat jinak. Laboratoř provozuje tři čisté místnosti. Dvě se nacházejí v části institutu PSI Východ, jedna menší přímo u švýcarského synchrotronního světelného zdroje SLS, jednoho z velkých výzkumných zařízení PSI, na druhé straně řeky Aare. „Stejně jako PSI odjakživa provozuje mechanické dílny, aby mohl vyrábět komponenty potřebné pro velká zařízení, potřebuje moderní výzkumné centrum také čisté místnosti s mikro-fabrikací,“ vysvětluje Helmut Schift, vedoucí skupiny polymerové nanotechnologie.

Než smí člověk pracovat v PSI v čisté místnosti, absolvuje u Martina Bednarzika dvoudenní školení. Tam vysvětluje, že člověk, který se nehýbe, uvolní 100 000 částic za minutu, převážně drobných šupinek kůže. Při sportu to může být až 10 000 000 částic. Pod částicemi jsou obecně míněny všechny částice tak malé, že mohou plavat ve vzduchu.

Bednarzik to neříká, aby vzbuzoval nepohodlí, ale aby vysvětlil, proč jsou čisté místnosti, za které je zodpovědný, tak speciální. Čistá místnost se definuje podle počtu částic, které plavou ve vzduchu. V běžném prostoru může být až milion částic na krychlový stopu. V čistých místnostech PSI je povoleno maximálně tisíc těchto suspendovaných částic na krychlovou stopu. Krychlová stopa odpovídá přibližně 28 litrům, což je asi množství vzduchu v prostoru mikrovlnné trouby. Na určitých místech v čisté místnosti může být dokonce jen deset částic na krychlovou stopu. A to i přesto, že se v ní pohybují lidé, kteří neustále uvolňují částice.

Bezpečný overal

Proto se na školení o čistých místnostech také učí, jak si správně obléct speciální overaly včetně pokrývky hlavy a návleků na nohy. V čisté místnosti se nesmí ani psát na běžný papír. Je předepsán speciální, bezprašný papír určený pro čisté místnosti. Také gumičky na gumové pravítko a tužky jsou zakázány.

Přísná pravidla jsou nutná, protože v mikro- a nanofabrikaci je třeba vyrábět v extrémně čistém prostředí.

Vrstva po vrstvě se zde z křemíkových waferů vytvářejí složité struktury (viz rámeček). Wafer je potažen citlivým na světlo lakem, položí se speciální polopropustná šablona a celý proces se exponuje – podobně jako v klasické fotografické laboratoři, kde se negativ černobílé fotografie exponuje na fotografický papír, aby se přenesl motiv. Poté se lak vyvíjí a wafer leptá. Přenesená struktura se tak prohlubuje do hloubky materiálu. Zbytková vrstva laku se odstraní a proces se opakuje s dalšími šablonami na stejném waferu, dokud není hotová požadovaná struktura.

Takto vznikají nanostrukturální „čočky“ pro rentgenové paprsky, které se používají například na SLS nebo pro komponenty detektorů, jež na CERNu detekují nově vznikající částice.

Prach jako balvan

Vysoce složité struktury potřebné pro takové součástky jsou tak jemné, že jediný prachový zrno, které by se při výrobním procesu dostalo na wafer, by znamenalo katastrofu. Thomas Neiger je jedním z „techniků pro infrastrukturu“ v čistých místnostech. Zdůrazňuje, proč musí být vzduch v místnosti tak extrémně čistý: „Každá sebemenší kontaminace by se při zpracování mohla zabořit do waferu. Prašné zrno je v porovnání s vyráběnou součástí balvanem. Riziko, že se v našich čistých místnostech dostane cizí předmět na wafer, je statisticky téměř nulové.“

Pro zajištění potřebného téměř bezčásticového prostředí pro výrobu se technici věnují enormnímu úsilí filtrování a úpravě vzduchu. Obrovské zařízení prohání vzduch celým objektem. Vyčištěný, temperovaný a odvlhčený vzduch je veden shora přímo a bez víření do místnosti a přes perforované pracovní stoly je odváděn zpět. Tak se zabrání tomu, aby se zbytkové částice usadily na pracovních plochách. Vzduch v místnosti se kompletně vymění každé dvě minuty.

Vzhledem k náročné technice by měl každý čistý prostor v zásadě mít výšku 5 až 6 metrů. Velkou část této výšky zabírá zařízení na úpravu vzduchu. U čistých místností PSI je to však daleko méně. Museli je zřídit v již existujících budovách s výrazně nižší výškou místností. Technici proto použili trik: speciální podlaha je dvakrát týdně ošetřena lepkavou látkou, která zabraňuje víření zbývajících částic.

Všechna zařízení v čisté místnosti běží nepřetržitě 24 hodin denně. Pouze tak lze zajistit stálou teplotu, která je nezbytná pro složité výrobní procesy. Sítě jsou zálohované bateriemi, protože některé stroje nezvládnou výpadek proudu. „Částečně musíme dokonce zajišťovat vlastní frekvence napájení, protože výrobci strojů, které odebíráme z USA, se málo starají o naše švýcarské frekvence,“ říká Thomas Neiger.

Jako ve vesmírném programu

„Samozřejmě musíme pravidelně vysvětlovat, proč je to, co děláme, tak drahé. Obecně lze říci: Musíme pracovat stejně spolehlivě jako v kosmickém výzkumu,“ myslí si Helmut Schift. Výpočet je jednoduchý: provoz jednoho čtverečního metru čisté místnosti stojí minimálně tisíc franků ročně. „Všechno je zahrnuto, od speciálních rukavic po náklady na klimatizaci,“ vysvětluje Schift. „Údržba a základní náklady jsou vysoké. Výsledky výroby jsou však vždy bezvadné a opakovatelné. A na tom záleží.“

Wafer

Wafer (anglicky „vafle“), které se používají v PSI, jsou kulaté, přibližně 0,5 mm silné pláty z křemíku nebo jiného polovodičového materiálu. V polovodičovém průmyslu tvoří základ pro integrované obvody, například počítačové čipy. V PSI jsou však wafery používány jako dokonale čistý materiál pro výrobu rentgenových čoček, detektorů nebo „odlitkových raznic“.