Il luogo più puro dell'Istituto Paul Scherrer

Nei ambienti sterili dell'Istituto Paul Scherrer PSI si svolgono processi altamente sensibili. Un singolo granello di polvere in un punto sbagliato potrebbe avere conseguenze fatali. Uno sguardo dietro le quinte in ambienti in cui, per motivi di pulizia, sono addirittura vietate le matite.

Chi partecipa alla formazione in camera bianca con Martin Bednarzik, responsabile del gruppo Tecnologia presso il laboratorio PSI per micro e nanotecnologie LMN, e con la sua collega Anja Weber, guarda il suo ambiente in modo inevitabilmente diverso. Il laboratorio gestisce tre camere bianche. Due si trovano nella sezione dell'istituto PSI Est, una più piccola direttamente presso la fonte di luce sincrotrone Svizzera SLS, uno degli impianti di ricerca di grande scala del PSI, dall'altra parte dell'Aare. «Così come il PSI da sempre gestisce officine meccaniche per produrre i componenti necessari agli impianti di grande scala, anche un centro di ricerca moderno ha bisogno di camere bianche con processi di microfabbricazione», spiega Helmut Schift, responsabile del gruppo Nanotecnologia dei Polimeri.

Prima di poter lavorare in una camera bianca del PSI, si partecipa a un corso di formazione di due giorni con Martin Bednarzik. Egli spiega che una persona che non si muove rilascia circa 100.000 particelle al minuto, per lo più minuscoli pezzi di pelle. Durante l'attività sportiva, possono essere fino a 10.000.000 di particelle. Per particelle si intendono generalmente tutti i frammenti così piccoli da poter fluttuare nell'aria.

Bednarzik non racconta tutto questo per creare disagio, ma per spiegare perché le camere bianche di cui è responsabile sono così speciali. Una camera bianca si definisce in base al numero di particelle che fluttuano nell'aria. In una stanza normale, possono esserci fino a un milione di particelle per piede cubo. Nelle camere bianche del PSI, si permette al massimo mille di queste particelle per piede cubo. Un piede cubo corrisponde a circa 28 litri, cioè circa la quantità di aria in un forno a microonde. In alcuni punti della camera bianca, sono ammessi anche solo dieci particelle per piede cubo. E questo nonostante ci siano persone che si muovono all’interno, rilasciando continuamente particelle.

Completo antistatico

Per questo motivo, nel corso di formazione in camera bianca si impara anche a indossare correttamente tute speciali, con cuffia e sovrascarpe. In camera bianca non si può nemmeno scrivere su carta normale. È obbligatorio usare carta speciale, antistatica. Anche gomme da cancellare e matite sono vietate.

Le regole rigorose sono necessarie perché nella micro e nanotecnologia si deve produrre in ambienti estremamente puliti.

Strato dopo strato, si creano da wafer di silicio strutture complesse (vedi riquadro). Per farlo, il wafer viene rivestito con vernice fotosensibile, si applica uno stencil speciale parzialmente trasparente e si espone alla luce – simile a quanto avviene in un laboratorio fotografico tradizionale, dove si espone il negativo di una fotografia in bianco e nero su carta fotografica per trasferire il soggetto. Successivamente, si sviluppa la vernice e si incisiona il wafer. La struttura trasferita si approfondisce nel materiale. Lo strato di vernice residuo viene rimosso e il processo si ripete con altri stencil sullo stesso wafer, fino a completare la struttura desiderata.

In questo modo si ottengono nanostrutture di «lenti» per raggi X, come quelle usate al SLS o componenti per rivelatori che, al CERN, identificano le particelle appena create.

Polvere come un masso

Le strutture altamente complesse necessarie per tali componenti sono così sottili che un singolo granello di polvere, se dovesse cadere durante la produzione sul wafer, sarebbe una catastrofe. Thomas Neiger è uno dei «Tecnici per l'infrastruttura» delle camere bianche. Spiega perché l'aria all’interno deve essere così estremamente pulita: «Ogni più piccolo inquinante potrebbe penetrare nel wafer durante il processo di lavorazione. Un granello di polvere è come un masso rispetto al componente che si sta producendo. Il rischio che un corpo estraneo finisca sul wafer nelle nostre camere bianche è statisticamente vicino allo zero.»

Per garantire l'ambiente quasi privo di particelle necessario alla produzione, i tecnici investono enormi sforzi nella filtrazione e nel trattamento dell’aria. Imponenti impianti attraversano l'intero edificio. L'aria pulita, riscaldata e deumidificata, viene condotta verticalmente sopra i posti di lavoro senza turbolenze e fatta risalire attraverso tavoli di lavoro perforati. In questo modo, le poche particelle residue non si depositano sulle superfici di lavoro. L'aria all’interno della stanza viene completamente rinnovata ogni due minuti.

A causa della tecnologia complessa, ogni camera bianca dovrebbe avere un’altezza di 5-6 metri. La maggior parte di questa altezza sarebbe occupata dai sistemi di trattamento dell’aria. Nei laboratori del PSI, questa altezza è molto inferiore. Sono stati adattati in edifici esistenti con altezze di stanza molto minori. Per questo, i tecnici hanno adottato un trucco: un pavimento speciale viene trattato due volte a settimana con una sostanza adesiva. Essa impedisce che le poche particelle residue vengano sollevate.

Tutti i dispositivi nelle camere bianche funzionano 24 ore su 24 senza interruzioni. Solo così si può garantire una temperatura costante, essenziale per i complessi processi di produzione. Le reti sono alimentate a batteria, poiché alcune macchine non tollerano blackout. «In parte, dobbiamo anche fornire frequenze di tensione proprie, perché i produttori di macchine provenienti dagli USA si preoccupano poco delle nostre frequenze svizzere», riferisce Thomas Neiger.

Come nello spazio

«Naturalmente, dobbiamo spiegare regolarmente perché quello che facciamo è così costoso. In linea di principio, si può dire: dobbiamo lavorare con la stessa affidabilità richiesta nello spazio», afferma Helmut Schift. Il conto è semplice: il costo di un metro quadrato di camera bianca è di almeno mille franchi all’anno. «Tutto è incluso, dai guanti speciali ai costi di energia per il condizionamento», spiega Schift. «I costi di manutenzione e di base sono elevati. Tuttavia, i risultati della produzione sono sempre impeccabili e ripetibili in qualsiasi momento. E questo è ciò che conta.»

Wafer

I wafer usati al PSI (dal termine inglese «waffle») sono dischi rotondi di circa 0,5 mm di spessore, realizzati in silicio o altro materiale semiconduttore. Nella industria dei semiconduttori costituiscono la base per circuiti integrati come i microchip dei computer. Al PSI, invece, vengono usati come materiale perfettamente puro per la produzione di lenti a raggi X, rivelatori o «stampini» per la produzione di componenti.