Le lieu le plus pur de l'Institut Paul Scherrer

Dans les salles blanches de l'Institut Paul Scherrer PSI, des processus hautement sensibles ont lieu. Un seul grain de poussière mal placé pourrait avoir des conséquences fatales. Un regard en coulisses dans des pièces où, pour des raisons de propreté, même les crayons sont interdits.

Celui qui participe à la formation en salle blanche avec Martin Bednarzik, chef de groupe en technologie au laboratoire PSI pour la micro- et nanotechnologie LMN, et sa collègue Anja Weber, perçoit ensuite son environnement différemment. Le laboratoire exploite trois salles blanches. Deux se trouvent dans la section de l'institut PSI Est, une plus petite directement à la source de lumière synchrotron Suisse SLS, l'une des grandes installations de recherche du PSI, de l'autre côté de l'Aar. « Tout comme le PSI exploite depuis toujours des ateliers mécaniques pour fabriquer les composants nécessaires aux grandes installations, un centre de recherche moderne a aussi besoin de salles blanches avec des processus de microfabrication », explique Helmut Schift, chef de groupe en nanotechnologie des polymères.

Avant de pouvoir travailler dans la salle blanche du PSI, on doit suivre une formation de deux jours avec Martin Bednarzik. Il y explique qu'une personne immobile libère 100'000 particules par minute, principalement de minuscules morceaux de peau. Lors d'une activité sportive, cela peut atteindre jusqu'à 10 millions de particules. Par particules, on entend généralement tous les petits éléments qui peuvent flotter dans l'air.

Ce n'est pas pour provoquer un malaise qu'il raconte cela, mais pour expliquer pourquoi les salles blanches dont il a la charge sont si spéciales. Une salle blanche se définit par le nombre de particules en suspension dans l'air. Dans une pièce ordinaire, cela peut aller jusqu'à un million de particules par pied cube. Dans les salles blanches du PSI, on ne doit pas dépasser mille de ces particules en suspension par pied cube. Un pied cube correspond à environ 28 litres, soit la quantité d'air dans le compartiment d'une micro-ondes. À certains endroits de la salle blanche, il ne doit y en avoir que dix par pied cube. Et ce malgré la présence constante de personnes qui libèrent en permanence des particules.

Combinaison sans peluches

Voilà pourquoi, lors de la formation en salle blanche, on apprend aussi à enfiler correctement la combinaison spéciale avec capuche et surbottes. Il n'est même pas permis d'écrire sur du papier ordinaire dans la salle blanche. Le papier spécial, sans peluches, est obligatoire. Les gommes à effacer et les crayons sont également interdits.

Ces règles strictes sont nécessaires car la micro- et nanofabrication doivent se faire dans un environnement extrêmement propre.

Couche après couche, des structures complexes sont élaborées à partir de wafers de silicium (voir encadré). Le wafer est recouvert d'une couche de peinture sensible à la lumière, une stencille partiellement translucide est posée, puis tout est exposé à la lumière — de manière similaire à un laboratoire photo classique, où l'on expose le négatif d'une photographie en noir et blanc sur du papier photo pour transférer le motif. Ensuite, la couche de peinture est développée et le wafer est gravé. La structure transférée s'enfonce dans la profondeur du matériau. La couche de peinture restante est enlevée, et le processus est répété avec d'autres stencilles sur le même wafer jusqu'à ce que la structure souhaitée soit achevée.

De cette manière, on crée des « lentilles » nanostructurées pour les rayons X, comme celles utilisées au SLS ou pour des composants de détecteurs qui, au CERN, détectent les particules nouvellement créées.

Poussière comme un rocher

Les structures hautement complexes nécessaires à ces composants sont si fines qu'une seule poussière, tombée sur le wafer lors de la fabrication, pourrait provoquer une catastrophe. Thomas Neiger est l'un des « techniciens en infrastructure » des salles blanches. Il explique pourquoi l'air doit être si extrêmement propre : « Toute contamination, même minuscule, s'infiltrerait dans le wafer lors du traitement. Un grain de poussière est comparable à un rocher par rapport à la composante en cours de fabrication. Le risque qu'une particule étrangère atteigne le wafer dans nos salles blanches est statistiquement nul. »

Pour fournir un environnement presque exempt de particules nécessaire à la production, les techniciens déploient d'énormes efforts pour filtrer et traiter l'air. Des installations gigantesques parcourent tout le bâtiment. L'air purifié, tempéré et déshumidifié est dirigé verticalement et sans turbulences au-dessus des postes de travail, puis évacué par des tables de travail perforées. Ainsi, les quelques particules restantes en suspension ne peuvent pas se déposer sur les surfaces de travail. L'air dans la pièce est complètement renouvelé toutes les deux minutes.

En raison de la technologie complexe, chaque salle blanche devrait en principe avoir une hauteur de 5 à 6 mètres. La majorité de cette hauteur serait occupée par les équipements de traitement de l'air. Or, les salles blanches du PSI sont bien plus basses. Elles ont été aménagées dans des bâtiments existants avec une hauteur de plafond nettement inférieure. Les techniciens ont donc utilisé une astuce : un sol spécial est traité deux fois par semaine avec une substance adhésive. Cela empêche la poussière restante d'être soulevée.

Tous les appareils dans la salle blanche fonctionnent en continu, 24 heures sur 24. C'est le seul moyen d'assurer une température constante, indispensable pour les processus de fabrication complexes. Les réseaux sont alimentés par batterie, car certaines machines ne supportent pas de coupure de courant. « Parfois, nous devons même fournir nos propres fréquences de tension, car les fabricants de machines que nous importons des États-Unis s'occupent peu de nos fréquences suisses », raconte Thomas Neiger.

Comme dans l'aérospatiale

« Bien sûr, nous devons régulièrement expliquer pourquoi ce que nous faisons est si coûteux. En principe, on peut dire : nous devons travailler aussi fiable que dans l'aérospatiale », estime Helmut Schift. La logique est simple : l'exploitation d'un mètre carré de salle blanche coûte au moins mille francs par an. « Tout est inclus, des gants spéciaux aux coûts d'électricité pour la climatisation », explique Schift. « Les coûts d'entretien et de base sont élevés. Mais en contrepartie, les résultats de production sont toujours impeccables et reproductibles à tout moment. Et c'est ce qui compte. »

Wafer

Les wafers utilisés au PSI (anglais pour « gaufre ») sont des disques ronds d'environ 0,5 mm d'épaisseur en silicium ou dans un autre matériau semi-conducteur. Dans l'industrie des semi-conducteurs, ils constituent la base des circuits intégrés, comme les microprocesseurs. Au PSI, ils sont cependant utilisés comme matériau parfaitement pur pour la fabrication de lentilles à rayons X, de détecteurs ou de « moules » pour la reproduction.