Tra tute protettive e ricerca d’avanguardia

Il perfezionismo ne vale la pena: un singolo squama della pelle può essere sufficiente a distruggere dozzine di microchip. (Immagine: Lucia Luca Hunziker / ETH Zurigo)

Produzione di microchip: come base vengono solitamente utilizzati wafer di silicio classici – come in questa immagine che brilla di verde (Immagine: Lucia Luca Hunziker / ETH Zurigo)

Nel finto luce artificiale e sotto il monotono ronzio di un potente sistema di ventilazione, Peter Rimpf si mette un camice bianco integrale con cappuccio, indossa calzature da laboratorio e si infila dei guanti sulle dita. «Una sola squama cutanea può essere sufficiente a distruggere dozzine di microchip», spiega il responsabile del ambiente sterile del dipartimento di Biosistemi dell'ETH Zürich presso la sede di Basilea. Prima che i ricercatori possano entrare nel ambiente sterile, passano attraverso una camera di decompressione con sovrappressione, puliscono le suole delle scarpe su un tappetino adesivo e si rivestono. Chi deve prendere appunti nel ambiente sterile riceve da Rimpf carta trattata appositamente, che non produce abrasioni. Polvere, pelucchi e sporco devono essere evitati a tutti i costi.

Ricerca nel micro e nanoscala

La Cleanroom Facility Basel si trova nel seminterrato dell'edificio di ricerca e laboratorio BSS dell'ETH, nel quartiere Schällemätteli a Basilea. La temperatura nel ambiente sterile è costante a 21 gradi Celsius; l'umidità dell'aria si attesta al 45% – le variazioni sono indesiderate, nulla dovrebbe disturbare i lavori delicati. Nella Cleanroom Facility Basel vengono prodotti microchip per la ricerca biotecnologica, inoltre si lavora su sensori minuscoli o prototipi di nuovi componenti per i semiconduttori. La maggior parte dei ricercatori lavora con wafer di silicio classici; cioè dischi di silicio cristallino puro, leggermente più grandi di un CD e che brillano di colori arcobaleno alla luce. Da questi si realizzano microchip di alta tecnologia. L'equipaggiamento del ambiente sterile di 360 metri quadrati è progettato per la lavorazione di cosiddetti microchip CMOS. Su questi possono essere inseriti milioni di transistor minuscoli. La maggior parte dei sensori di immagine in fotocamere, smartphone e automobili si basa oggi sulla tecnologia CMOS.

Rimpf esce dalla camera di decompressione indossando il camice, entrando in un corridoio che collega gli otto laboratori dell'ambiente sterile e diversi locali tecnici. Nei laboratori sono presenti vari dispositivi per la lavorazione di wafer e microchip, nonché per analisi successive. Due laboratori sono stati subaffittati all'Università di Basilea, inoltre anche partner industriali possono utilizzare l'ambiente sterile. In totale, qui possono lavorare contemporaneamente circa quaranta persone. Laboratori e impianti tecnici sono il più possibile separati tra loro per evitare contaminazioni durante il funzionamento o la manutenzione. Inoltre, in tutti i laboratori si mantiene una sovrappressione, in modo che entrino il meno possibile particelle e polvere dall'esterno. «Un metro cubo di aria cittadina contiene normalmente milioni di particelle», racconta Rimpf. «Grazie ai nostri sistemi di filtraggio, possiamo ridurre il numero a qualche migliaio.» A tale scopo, dal soffitto viene continuamente soffiata aria fresca attraverso filtri nelle stanze. Ogni ora vengono ricircolati e filtrati 30.000 metri cubi di aria.

Rimpf entra nella cosiddetta sala di litografia, illuminata da luce gialla. Le vernici applicate sui wafer sono sensibili alla luce e potrebbero essere danneggiate da raggi UV. Sotto un'estrazione, su un tavolo è integrato un centrifuga, con cui si spruzzano sottilissimi strati di vernice epossidica sui wafer. «A differenza dei ambienti sterili industriali, da noi ci sono pochi processi standardizzati e automatizzati», dice Rimpf. «Qui si lavora ancora molto manualmente.» Per questo, il lavoro richiede molta esperienza e destrezza. Dopo aver spruzzato, il wafer viene prima posato su una piastra calda per far evaporare i solventi. Successivamente, le microstrutture previste vengono indurite in un grande contenitore, grande come una lavatrice, con luce UV. Poi, l'eccesso di vernice viene lavato via con solventi. Così si formano sui wafer strutture di micro o nanoscala.

In un laboratorio adiacente si trova un impianto per l'incisione a secco dei wafer. Con un plasma di gas ionizzati, si possono incidere strutture sottilissime nel silicio, anche con pareti molto ripide e spigoli affilati. In questo modo, i ricercatori possono inserire canali minuscoli, cavità o strutture elettriche nel wafer. «Più piccole sono le strutture sui wafer, più potenti saranno i chip in seguito», dice Rimpf. Le strutture più piccole applicate sui wafer sono di 500 nanometri, cioè molto più sottili del diametro di un singolo capello.

Vario e complesso

Marina Marti lavora da un anno nel team operativo della Cleanroom Facility Basel. È diplomata come tecnico di laboratorio chimico, ha lavorato in passato in un'azienda farmaceutica nel ambiente sterile ed è abituata a lavorare in condizioni di alta purezza. Si è posta l'obiettivo di garantire che i ricercatori trovino sempre condizioni di lavoro ottimali nel ambiente sterile. Per farlo, bisogna mantenere le macchine, svuotare i rifiuti e fornire materiali di ricambio come guanti, solventi e vernici fotosensibili. Non le dà fastidio lavorare tutto il giorno nel seminterrato. «Ci si abitua», dice. Inoltre, il tempo passa velocemente perché si lavora prevalentemente con grande concentrazione. Per lavori d'ufficio, i dipendenti hanno a disposizione anche una stanza con luce naturale.

Durante manutenzioni e riparazioni degli strumenti high-tech, il team operativo collabora strettamente con i produttori in Svizzera e all'estero. «La quantità e la complessità dei dispositivi è impressionante», dice Marti. Con manuali dei produttori, video di formazione e il supporto dei colleghi, si sta attualmente familiarizzando con l'uso e la manutenzione dei vari strumenti. «Imparo qualcosa di nuovo ogni giorno – è proprio questo che mi piace del mio lavoro.» Alcuni strumenti costano ben oltre un milione di franchi svizzeri, come un microscopio elettronico a scansione di ultima generazione. Con questo si possono ottenere immagini tridimensionali con risoluzione fino a venti nanometri, analizzando le strutture sui wafer nei minimi dettagli. Difetti o contaminazioni sono immediatamente visibili. «È stato un momento speciale usarlo per la prima volta», ricorda Marti.

Nonostante questa infrastruttura high-tech, la Cleanroom Facility Basel è aperta a tutti gli studenti e il personale del dipartimento. L'unica condizione è partecipare a un'introduzione e a un corso di sicurezza, e avere una certa esperienza nell'uso dell'ambiente sterile. Rimpf e il suo team forniscono le basi, formano gli interessati sugli strumenti, li introducono nel concetto di sicurezza e sensibilizzano sulle misure per mantenere l'infrastruttura il più pulita possibile. «Molti non sono mai stati in un ambiente sterile di questo tipo», dice Rimpf. «Siamo i loro primi punti di riferimento e li aiutiamo a realizzare le loro idee.» Il suo obiettivo è supportare e ispirare la prossima generazione di esperti di micro e nanotecnologie con la sua esperienza.

Celle cerebrali sui chip

Il carattere dell'ambiente sterile come «User Facility» è molto importante anche per lui, dice Andreas Hierlemann, professore di Ingegneria dei Biosistemi e incaricato del dipartimento di Biosistemi per la gestione e il monitoraggio dell'ambiente sterile. «I ricercatori devono avere conoscenze di base per lavorare nell'ambiente sterile, ma non è necessario un expertise specifico sugli strumenti per poterlo usare. Qui si può anche sperimentare.» Questo influenza anche l'insegnamento: gli studenti di master in biotecnologie usano l'ambiente sterile durante il tirocinio di microtecnologia per progettare le prime strutture su wafer di silicio e realizzare chip. «Non è scontato», dice Hierlemann. «Pochi atenei permettono ai loro studenti di master di entrare in un ambiente sterile.»

Il suo gruppo di ricerca sviluppa microchip per testare farmaci. Questi sistemi «avanzati in vitro» possono sostituire alcuni esperimenti su animali. Hierlemann e il suo team creano microchip speciali che vengono ricoperti di cellule cardiache o cerebrali. Il materiale deriva da specifiche cellule staminali umane, prodotte in laboratorio. Con questi chip si possono misurare segnali elettrici o stimolare le cellule con impulsi elettrici. Poiché i segnali sono caratteristici di determinate malattie, è possibile confrontare l'attività elettrica di cellule cerebrali sane e malate e testare l'efficacia di nuovi farmaci su questi chip. Il gruppo di Hierlemann dipende da un ambiente sterile ben gestito. «Circa la metà del mio team lavora regolarmente nell'ambiente sterile, che è centrale per la nostra ricerca.»

Dall'idea al chip

Oltre all'ambiente sterile di Basilea, l'ETH dispone di altri due ambienti sterili a Zurigo. Il FIRST Lab nel campus Hönggerberg ha 400 metri quadrati di superficie sterile e strumenti rivolti principalmente a gruppi di fisica, ingegneria elettrica e scienza dei materiali. Presso il sito ETH del Zentrum si trova il FIRST-CLA, una versione più piccola con 250 metri quadrati di superficie sterile, progettata specificamente per le esigenze di ricercatori in ingegneria meccanica e tecnologia dei processi. «Senza questi ambienti sterili, circa dieci gruppi dovrebbero cercare una nuova sede per le loro ricerche», dice Giacomo Scalari, professore di elettronica quantistica e coordinatore del FIRST Lab. «Per molti ricercatori dell'ETH sono essenziali.»

Il gruppo di Scalari sviluppa nuovi laser a semiconduttore, come quelli usati in telecomunicazioni o per il riconoscimento facciale negli smartphone. A seconda del semiconduttore inserito nei chip, questi laser emettono lunghezze d'onda diverse. I suoi nove dottorandi trascorrono circa il 40% del loro tempo nel FIRST Lab, racconta. «Entrano con un'idea e un progetto e escono con un prototipo di chip. Poi lo testano in laboratorio, ottimizzano il progetto e tornano nel ambiente sterile.»

Spesso sono necessari diversi tentativi prima che il microchip finale soddisfi i requisiti desiderati. Questo processo può durare diversi mesi. Spesso, i dispositivi vengono adattati con il supporto del personale tecnico dei produttori, rendendo possibile la produzione di determinati progetti di microchip. L'equipaggiamento degli ambienti sterili viene continuamente migliorato. La vicinanza del suo ufficio e dei laboratori del suo gruppo al First Lab, a soli cinque minuti a piedi, rappresenta un grande vantaggio: «Grazie a questa vicinanza, possiamo mettere in pratica e testare nuove idee immediatamente. È estremamente efficiente.»

Allo stesso tempo, l'ambiente sterile ha un «effetto mensa», dice Scalari. Si può parlare con colleghi che lavorano su altre questioni di ricerca. «Questo scambio è molto prezioso. Grazie a un buon consiglio, si possono risparmiare mesi.» Come Hierlemann, anche Scalari sottolinea il ruolo fondamentale dell'infrastruttura per l'insegnamento e l'attrattiva dei laureati sul mercato del lavoro. «I nostri studenti sanno come si maneggia un'infrastruttura microtecnologica. Questo è molto apprezzato dall'industria.» La maggior parte dei laureati trova subito un impiego nell'industria optoelettronica. Altri avviano proprie startup, come Versics e SCALE Lasers.

Fascino per il lavoro di squadra

Tornando nel ambiente sterile di Basilea. Nella camera di decompressione, che separa lo spazio controllato e quasi privo di polvere dall'esterno sporco, Rimpf si toglie il camice e i guanti. Venti anni fa, il tecnico entrò per la prima volta in un ambiente sterile quando iniziò a lavorare presso l'ABB nel settore della microtecnologia.

La sua fascinazione per la precisione e il lavoro di squadra necessario non si è mai affievolita. «Più le strutture sono piccole e complesse, più è necessario un sapere specialistico vario», dice. «Non si può fare da soli; bisogna collaborare.»