El lugar más puro del Instituto Paul Scherrer

En las salas limpias del Instituto Paul Scherrer PSI se llevan a cabo procesos altamente sensibles. Una sola partícula de polvo en el lugar equivocado podría tener consecuencias fatales. Un vistazo detrás de escena en habitaciones donde incluso los lápices están prohibidos por motivos de limpieza.

Quien asiste a la capacitación en salas limpias con Martin Bednarzik, jefe de grupo de Tecnología en el laboratorio PSI de Micro y Nanotecnología LMN, y su colega Anja Weber, mira su entorno de manera inevitablemente diferente después. El laboratorio opera tres salas limpias. Dos se encuentran en la sección del instituto PSI Este, una más pequeña justo al lado de la Fuente de Luz de Sincrotron de Suiza SLS, una de las instalaciones de investigación de gran escala del PSI, al otro lado del río Aare. «Así como el PSI siempre ha operado talleres mecánicos para fabricar componentes necesarios para las instalaciones de gran escala, un centro de investigación moderno también necesita salas limpias con procesos de microfabricación», explica Helmut Schift, jefe de grupo de Nanotecnología de Polímeros.

Antes de poder trabajar en la sala limpia del PSI, uno debe asistir a una introducción de dos días con Martin Bednarzik. Allí explica que una persona que no se mueve emite 100,000 partículas por minuto, en su mayoría pequeñas escamas de piel. Durante el ejercicio físico, pueden ser hasta 10,000,000 de partículas. Por partículas se entienden en general todos los fragmentos que son tan pequeños que pueden flotar en el aire.

Bednarzik no cuenta esto para causar incomodidad, sino para explicar por qué las salas limpias de las que es responsable son tan especiales. Una sala limpia se define por la cantidad de partículas que flotan en su aire. En una habitación normal, puede haber hasta un millón de partículas por pie cúbico. En las salas limpias del PSI, solo se permiten mil de estas partículas suspendidas por pie cúbico. Un pie cúbico equivale aproximadamente a 28 litros, que es la cantidad de aire en el horno de una microondas. En ciertos lugares de la sala limpia, incluso solo diez partículas por pie cúbico están permitidas. Y eso, a pesar de que las personas se mueven dentro, liberando continuamente partículas.

Mono sin pelusas

Por eso, en la capacitación en salas limpias también aprenden a vestirse correctamente con los monos especiales, incluyendo capucha y cubrezapatos. En la sala limpia, ni siquiera se puede escribir en papel normal. Está prohibido el papel especial, sin pelusas, para salas limpias. También están prohibidos los borradores y los lápices.

Las reglas estrictas son necesarias porque en la fabricación de micro y nanotecnología se debe producir en un entorno extremadamente limpio.

Capas tras capas, se trabajan estructuras complejas en obleas de silicio (ver recuadro). La oblea se recubre con una capa sensible a la luz, se coloca una plantilla especial parcialmente transparente y todo se expone a la luz, similar a un laboratorio fotográfico clásico, donde se expone un negativo de una fotografía en blanco y negro sobre papel fotográfico para transferir la imagen. Luego, la capa de recubrimiento se desarrolla y la oblea se etza. La estructura transferida penetra en la profundidad del material. La capa de recubrimiento restante se elimina y el proceso se repite con otras plantillas en la misma oblea hasta completar la estructura deseada.

De esta manera, se crean lentes nanostructurados para rayos X, como los que se usan en el SLS o componentes para detectores que identifican partículas recién descubiertas en el CERN.

Polvo como un bloque de piedra

Las estructuras altamente complejas necesarias para estos componentes son tan finas que una sola partícula de polvo que caiga en el proceso de fabricación sobre la oblea sería una catástrofe. Thomas Neiger es uno de los «técnicos de infraestructura» de las salas limpias. Él explica por qué el aire en la habitación debe ser tan extremadamente limpio: «Cualquier contaminación, por pequeña que sea, se incrustaría en la oblea durante el proceso de fabricación. Una partícula de polvo es como un bloque de piedra en comparación con el componente que se produce. La probabilidad de que un cuerpo extraño caiga en nuestras salas limpias sobre la oblea es estadísticamente casi cero.»

Para proporcionar un entorno casi libre de partículas necesario para la producción, los técnicos realizan un esfuerzo enorme en la filtración y preparación del aire. Grandes sistemas atraviesan todo el edificio. El aire, limpio, templado y deshumidificado, se dirige verticalmente desde arriba en los puestos de trabajo sin crear remolinos y se extrae a través de mesas perforadas. De esta forma, las pocas partículas suspendidas restantes no se depositan en las superficies de trabajo. El aire en la habitación se reemplaza completamente cada dos minutos.

Debido a la tecnología avanzada, en principio, cada sala limpia debería tener una altura de 5 a 6 metros. La mayor parte de esa altura la ocupa la maquinaria para la preparación del aire. Sin embargo, en las salas limpias del PSI, esto no es así. Se tuvieron que instalar en edificios existentes con alturas de techo mucho menores. Los técnicos recurrieron a un truco: un suelo especial se trata con una sustancia adhesiva dos veces por semana. Esto evita que las partículas restantes se levanten en el aire.

Todos los equipos en la sala limpia funcionan continuamente las 24 horas del día. Solo así se puede garantizar una temperatura constante, imprescindible para los procesos de fabricación complejos. Las redes están alimentadas por baterías, ya que algunas máquinas no toleran cortes de energía. «En algunos casos, incluso tenemos que suministrar frecuencias de voltaje propias, porque los fabricantes de máquinas que adquirimos en EE. UU. no se ocupan mucho de nuestras frecuencias suizas», informa Thomas Neiger.

Como en la exploración espacial

«Por supuesto, tenemos que explicar regularmente por qué lo que hacemos es tan costoso. En general, se puede decir: debemos trabajar con la misma fiabilidad que en la exploración espacial», comenta Helmut Schift. La cuenta es sencilla: operar un metro cuadrado de sala limpia cuesta al menos mil francos al año. «Aquí se incluyen todo, desde guantes especiales hasta los costos de electricidad para el aire acondicionado», explica Schift. «Los costos de mantenimiento y básicos son altos. Pero los resultados de producción siempre son perfectos y se pueden repetir en cualquier momento. Y eso es lo que importa.»

Oblea

Las obleas utilizadas en el PSI (en inglés, «wafer») son discos redondos de aproximadamente 0,5 mm de grosor, hechos de silicio u otro material semiconductor. En la industria de semiconductores, constituyen la base para circuitos integrados, como chips de computadora. En el PSI, sin embargo, se usan como material perfectamente puro para la fabricación de lentes de rayos X, detectores o «moldes de estampado».