A legszentebb hely a Paul Scherrer Intézetben

Paul Scherrer Intézet PSI tisztasági szobáiban érzékeny folyamatok zajlanak. Egyetlen porszemcse a rossz helyen végzetes következményekkel járhat. Egy pillantás a kulisszák mögé, ahol a tisztaság miatt még ceruzát sem szabad használni.

Akik Martin Bednarziknál, a PSI Mikro- és Nanotechnológiai Laboratórium LMN technológiai csoportvezetőjénél és kolléganőjénél, Anja Webernél részesülnek a tisztasági képzésben, azután minden bizonnyal másképp látják a környezetüket. A labor három tisztatérrel rendelkezik. Kettő a PSI Kelet intézeti részében található, egy kisebb pedig közvetlenül a Svájci Szinkrotron Fényforrás SLS mellett, amely a PSI egyik nagy kutatási létesítménye, a Aare másik oldalán. „Ahogyan a PSI mindig is mechanikus műhelyeket működtetett, hogy a nagyberendezésekhez szükséges alkatrészeket előállítsa, egy modern kutatóközpontnak is szüksége van tisztatérre mikrogyártási folyamatokhoz,” magyarázza Helmut Schift, a Polimerek Nanotechnológia csoportvezetője.

Azért, hogy a PSI-nál a tisztatérben dolgozni lehessen, Martin Bednarziknál egy kétnapos bevezető tanfolyamot kell elvégezni. Ott elmagyarázza, hogy egy mozdulatlan ember 100 000 részecskét bocsát ki percenként, főként apró bőrrészecskéket. Sport közben akár 10 000 000 részecske is lehet. A részecskék alatt általában minden olyan apró részecskét értünk, amelyek a levegőben lebeghetnek.

Ez nem azért van, hogy kellemetlen érzést keltsen, hanem hogy megmagyarázza, miért olyan különlegesek a tisztaterek, amelyekért ő felelős. Egy tisztatér a levegőben lebegő részecskék száma szerint van meghatározva. Egy átlagos szobában ez akár egymillió részecske is lehet köbméterenként. A PSI tisztatereiben azonban legfeljebb ezer lebegő részecskét szabad mérni köbméterenként. Egy köbméter körülbelül 28 liter, ez nagyjából annyi levegő, mint egy mikrohullámú sütő belsejében. Bizonyos helyeken a tisztatérben akár csak tíz részecske lehet köbméterenként. És ez annak ellenére, hogy az emberek benne mozognak, akik folyamatosan részecskéket bocsátanak ki.

Pormentes overall

Ezért tanulják meg a tisztatérképzésen, hogy a speciális overallokat, fejpántokat és lábvédőket szabályosan fel kell venni. A tisztatérben nem szabad még normál papíron írni sem. Szabványos, pormentes tisztatéri papír az előírás. Radírok és ceruzák is tiltottak.

A szigorú szabályokra azért van szükség, mert mikro- és nanofeldolgozás során rendkívül tiszta környezetben kell termelni.

Rétegenként a szilíciumlapkákból összetett struktúrák kerülnek ki (lásd a dobozt). A lapkát fényérzékeny lakkal vonják be, egy speciális, fényáteresztő sablont helyeznek rá, majd megvilágítják – hasonlóan, mint egy hagyományos fotólaborban, ahol a fekete-fehér fénykép negatívját exponálják fotópapírra, hogy a motívum átkerüljön. Ezután a lakkot fejlesztik, és a lapkát megmossák. Ekkor a felvett struktúra mélyen beépül az anyagba. A maradék lakkréteget eltávolítják, és a folyamatot ismétlik a lapkán további sablonokkal, amíg a kívánt struktúra elkészül.

Így jönnek létre nanostrukturált „lencsék” röntgensugarakhoz, amelyeket a SLS-en használnak, vagy detektorok alkatrészei, amelyek a CERN-ben az új részecskéket detektálják.

Por, mint egy szikla

Az ilyen alkatrészekhez szükséges rendkívül összetett struktúrák olyan finomak, hogy egyetlen porszemcse, amely a gyártási folyamat során a lapkára kerülne, katasztrófát okozna. Thomas Neiger az egyik „Infrastruktúra technikus” a tisztaterekben. Rámutat arra, miért kell olyan rendkívül tisztának lennie a levegőnek: „Bármilyen apró szennyeződés is kerülne be, az beleásná magát a lapkába a feldolgozás során. Egy porszemcse egy szikla a készülékhez képest, amit gyártunk. A veszély, hogy idegen test kerül a lapkára a tisztatérben, statisztikailag közelít a nullához.”

Az, hogy a gyártáshoz szükséges, szinte részecskementes környezetet biztosítsanak, a technikusok hatalmas erőfeszítéseket tesznek a levegő szűrésére és kezelésére. Óriási berendezések futnak végig az egész épületen. A tisztított, temperált és páramentesített levegőt a munkahelyeken felülről, függőlegesen és forgácsmentesen juttatják a térbe, majd perforált munkalapokon keresztül visszavezetik. Így a maradék néhány lebegő részecske nem rakódik le a munkafelületeken. A levegő minden két percben teljesen kicserélődik.

A bonyolult technológia miatt minden tisztatér elméletileg 5-6 méter magas lenne. Ennek nagy részét a levegőkezelő berendezések foglalnák el. A PSI tisztatereiben azonban messze nem ez a helyzet. Ezeket meglévő épületekben kellett kialakítani, ahol a belmagasság sokkal kisebb. A technikusok ezért egy trükköt alkalmaztak: egy speciális padlót hetente kétszer ragacsos anyaggal kezelnek. Ez megakadályozza, hogy a maradék néhány részecske felkavarodjon.

Az összes berendezés a tisztatérben folyamatosan, 24 órán keresztül működik. Csak így lehet biztosítani a folyamatos hőmérsékletet, amely elengedhetetlen a bonyolult gyártási folyamatokhoz. A hálózatok akkumulátorral vannak ellátva, mivel néhány gép nem tolerál áramkimaradást. „Néha saját feszültségfrekvenciákat kell biztosítanunk, mert az USA-ból származó gépgyártók kevéssé törődnek a svájci frekvenciáinkkal,” mondja Thomas Neiger.

Mint az űrkutatásban

„Természetesen rendszeresen el kell magyaráznunk, miért olyan drága, amit csinálunk. Alapvetően el lehet mondani: ugyanakkora megbízhatósággal kell dolgoznunk, mint az űrkutatásban,” mondja Helmut Schift. A számítás egyszerű: egy négyzetméter tisztatér működtetése legalább ezer frankba kerül évente. „Minden benne van, a speciális kesztyűktől a klímaberendezés villanyköltségéig,” magyarázza Schift. „A fenntartási és alapköltségek magasak. Cserébe a gyártási eredmények mindig hibátlanok és bármikor ismételhetők. És ez a lényeg.”

Lapka

A PSI-nál használt lapkák (angolul „wafer”) kerek, kb. 0,5 mm vastag szilícium vagy más félvezető anyagból készült táblák. A félvezetőiparban ezek az alapok az integrált áramkörök, például számítógép-chipek gyártásához. A PSI-nál azonban a lapkákat tökéletesen tiszta anyagként használják röntgencsövek, detektorok vagy „másolóminták” készítéséhez.