CSM – Materialen geschikt voor cleanroomgebruik

Fig. 1: Reinraumgeschikte tribologische testbank bij Fraunhofer IPA voor het bepalen van de deeltjesemissiecategorieën van materiaallagen. De testbank is geïnstalleerd in een cleanroom van ISO-klasse 1 om kruiscontaminatie te voorkomen.

Fig. 2: Micro-emissiekamer bij Fraunhofer IPA voor het bepalen van VOC-emissiecategorieën van materiaaloppervlakken.

Figuur 3: Classificaties van het gasvormingsgedrag van vluchtige organische stoffen (VOC) van enkele geteste vloerbedekkingen en coatings.

Fig. 4: Beoordeling van de chemische bestendigheid van een materiaalmeteriaal volgens ISO 2812-1 en ISO 4628-1 tot -5. Voorbeelduitvoer van twee geteste chemicaliën.

Fig. 5: Voorbeeldige beoordeling van de chemische bestendigheid van een materiaaldraad volgens VDI 2083 blad 17.

Afbeelding 6: Test van de ondergrond Sikafloor 390 volgens ISO 846 procedure A en C. Links het uitgangsmateriaal, in het midden en rechts na 4 weken incubatie.

Abb. 7: Links: Scheuren in een materiaaloppervlak onder 50-voudige vergroting. Rechts: Lineaire wis-simulator.

Fig. 8: Testverontreiniging op een vloercoating die gedurende twee uur is uitgedroogd, drie opeenvolgende reinigingen.

Fig. 9: Classificaties van de chemische en biologische bestendigheid, de antimicrobiële eigenschappen en de reinigbaarheid op basis van de riboflavinetest.

Fig. 10: Voorbeeld van een CSM-keurmerk.

1. Inleiding

Veel materialen en bouwstoffen kunnen vanwege hun eigenschappen een schone productieomgeving contamineren en vormen daarmee een essentiële factor bij het bereiken en behouden van de vereiste zuiverheid.

Emissie uit een gewricht van een handlingeenheid kan microscopische deeltjes afgeven die de omringende productieomgeving gevoelig kunnen contamineren. Veel van deze microscopische deeltjes blijven als aerosol lange tijd in de lucht zweven en kunnen op afstand van de daadwerkelijke emissiebron sedimenteren op kritische oppervlakken. Een sedimenterend deeltje met een diameter van 500 nm kan een wafer in de halfgeleiderproductie volledig onbruikbaar maken voor de daaropvolgende processen.

Luchtgedragen chemische contaminaties kunnen op oppervlakken adsorberen en deze daardoor blijvend beschadigen. Bijvoorbeeld, weekmakers die op wafers condenseren, veranderen het nattegedrag voor daaropvolgende etappes. Stikstofhoudende verbindingen (luchtgedragen amines en ammoniak) kunnen zelfs in sporen fotolakken aantasten en zo leiden tot foutieve belichtingsstappen. Organische verbindingen in de lucht (VOC) condenseren op lenssystemen en veroorzaken daardoor afbeeldingsfouten bij belichtingsstappen.

Als proceswater zich verzamelt in een bodemvoeg die met een inferieur afdichtingsmateriaal is afgedicht, kunnen de aanwezige schimmelsporen zich daar goed vestigen vanwege de lokale gunstige groeicondities (vocht, temperatuur, voedingsstoffen) en zo uitgroeien tot een sterke infectiebron. Als een materiaal door de werking van een agressief reinigingsmiddel corrodeert, verliest het niet alleen zijn vereiste materiaaleigenschappen, maar kan het ook een gevaarlijke bron voor de emissie van deeltjes worden.

Chemische invloeden kunnen een materiaal ook doen verslijten. Bij mechanische belasting kunnen scheuren ontstaan, die al op microscopisch niveau een gevaar vormen, omdat micro-organismen die zich mogelijk in de scheuren bevinden, zich aan een effectieve reiniging en sterilisatie kunnen onttrekken.

Bij vloer- en wandsystemen moet een voldoende reinigbaarheid met gangbare reinigingsmethoden en -middelen worden gewaarborgd. Daarbij mag bij vloersystemen de door de beroepsverenigingen geëiste slipvastheid voor de veiligheid niet worden verwaarloosd.

De Biostoffenverordening schrijft bijvoorbeeld in bijlage 2 voor alle beschermingsniveaus verplicht waterdichte en gemakkelijk te reinigen oppervlakken voor. Verder beveelt de BioStoffenverordening vanaf niveau 2 een voldoende bestendigheid tegen zuren, basen, desinfectiemiddelen en oplosmiddelen aan. Bij reactieve systemen (zoals epoxyharsvloeren) moet op een gering gasgevend gedrag van organische contaminaties worden gelet om de naleving van de personen- en - bij kritische processen - productbescherming te waarborgen. Als er tribologische belasting op een materiaal plaatsvindt (zoals rollenlagers, loopbelasting van een vloersysteem, etc.), mogen door deze belasting geen kritische luchtgedragen deeltjescontaminaties worden gegenereerd.

Geschikte materialen moeten daarom bestand zijn tegen de gebruikte chemische reinigings- en desinfectatiemiddelen in een contaminatiekritische productieomgeving. Bij de juiste tribologische belasting mogen materiaalcombinaties niet leiden tot ongewenst hoge deeltjesemissies. In veel productiegebieden mogen alleen emissiearme materialen worden toegepast. In hygiënische productieomgevingen mogen de gebruikte materialen niet worden gekoloniseerd en afgebroken door micro-organismen. De oppervlakte moet zodanig zijn dat een probleemloze reiniging wordt gegarandeerd.

Voor een vergelijkende materiaalkeuze moeten daarom onder andere het gasgevingsgedrag, de deeltjesemissie onder tribologische belasting, de chemische en microbiële eigenschappen en de reinigbaarheid door gestandaardiseerde onderzoeken voor diverse materialen worden bepaald en geclassificeerd. Hiervoor heeft het Fraunhofer IPA in het kader van het Industrieverbond CSM – cleanroom suitable materials gestandaardiseerde testmethoden ontwikkeld, die hieronder worden toegelicht.

2. CSM-Materiaaltesten voor vergelijkbare materiaalklassen

2.1 Deeltjesemissie

Wanneer een materiaal door wrijvingsinvloeden van een ander materiaal mechanisch wordt belast, ontstaat meestal materiaalafslijting in de vorm van deeltjes. Dit kan door glijwrijving van rollen gebeuren, bijvoorbeeld in kogellagers, maar ook door kleefwrijving, wat bijvoorbeeld kan optreden bij het lopen met schoenen over een vloersysteem. Om een vergelijkende uitspraak te kunnen doen over de deeltjesafgifte van verschillende materialen onder tribologische belasting, gebruikt het Fraunhofer IPA voor de deeltjesemissietests binnen het kader van het CSM-Industrieverbond de speciaal daarvoor ontwikkelde testopstelling Material-Inspec. Deze wordt in een referentie-reinruimte van klasse ISO 1 bedreven, om meetfouten door mogelijke vreemde deeltjes uit de omgeving uit te sluiten. Voor de classificatie wordt afhankelijk van de onderzochte materiaalgroep glij- of rollengrijving beschouwd. Bij rollengrijvingsonderzoek is de tegenpartij een gestandaardiseerde polyamide-6-rol om het rollen van transportrollen te simuleren. Bij glijwrijvingsonderzoek wordt een gestandaardiseerde roestvrijstalen bol tegen het te onderzoeken materiaal gedrukt. De contactdruk en de hoekensnelheid worden constant gehouden. Door de laminaire verdringingsstroom met v = 0,45 m/s van het plafond van de reinruimte door de perforatievloer worden tijdens de test de ontstane deeltjes verticaal naar beneden direct naar de gemeten luchtdeeltjesdetector geleid. De lucht wordt bij het verlaten van de filterlaag verrijkt met bipolair corona-ionisatoren met positieve en negatieve ionen, die de door tribologische wrijving gegenereerde lading neutraliseren. Hierdoor hechten de gegenereerde deeltjes niet door elektrostatische effecten aan de oppervlakken, maar worden ze met de turbulentiearme luchtstroom direct naar de deeltjescounter geleid.

De geïnstalleerde strooilichtdeeltjesdetector detecteert alle deeltjes met een diameter > 0,2 µm en classificeert het aantal deeltjes op basis van hun grootte in vooraf gedefinieerde deeltjesgroottekanalen. De meting wordt minimaal een uur uitgevoerd om het optreden van enkelvoudige gebeurtenissen in overweging te nemen. Als resultaat krijgt men na cumulatie en transformatie van de gegevens een materiaalspecifieke beoordeling met betrekking tot de deeltjesafgifte bij tribologische belasting. De procedure is gedetailleerd beschreven en gestandaardiseerd in de in juni 2013 gepubliceerde actuele richtlijn VDI 2083 blad 17. De vastgestelde materiaalkenwaarde ISOm-klasse maakt een directe vergelijking mogelijk tussen verschillende materialen, in hoeverre deze kunnen bijdragen aan een mogelijke deeltjesbelasting van de cleanroomomgeving bij tribologische belasting. (zie Fig. 1)

2.2 Gasgevingsgedrag

Het gasgevingsgedrag van geschikt materiaal voor cleanroomtoepassingen speelt naast de deeltjesgeneratie bij mechanische belasting een steeds belangrijkere rol. Bij het gebruik van geschikte materialen moeten enerzijds de wettelijke grenswaarden voor de blootstelling op de werkplek (MAK-waarden) worden nageleefd. Anderzijds kunnen gasvormende kritische verbindingen en verbindingenklassen leiden tot ongewenste effecten in contaminatiegevoelige productieprocessen. Gasvormende componenten van materialen (zoals weekmakers, oplosmiddelen, andere vluchtige bestanddelen van het materiaal) spelen hierbij een belangrijke rol bij de belasting van de lucht door luchtgedragen moleculaire verontreinigingen (airborne contamination by chemicals, ACC). Organische vluchtige stoffen (VOC) vormen daarbij de belangrijkste rol. Deze luchtgedragen moleculaire verontreinigingen worden beschouwd als een van de belangrijkste oorzaken van het zogenaamde 'Sick Building Syndrome'.

De hier beschreven methode maakt vergelijkingen mogelijk tussen verschillende materialen op basis van hun emissie van vluchtige organische verbindingen en stelt het opstellen van een ranglijst voor selectie en classificatie mogelijk. De hoeveelheid uitgasende organische verbindingen hangt af van de oppervlakte, de gasgassingstijd, de leeftijd en de testtemperatuur. De materiaalspecifieke oppervlakte-emissiesnelheid (SERa) wordt op basis van deze parameters uitgedrukt als massa per oppervlakte en tijd bij kamertemperatuur. Als gestandaardiseerde vergelijkbare testmethode worden metingen uitgevoerd met behulp van een microkamer. De bepaling van de emissie gebeurt door het verzamelen en verrijken van vluchtige verbindingen op een adsorber en vervolgens analyse door thermische desorptie en gekoppelde gaschromatografie met een massaspectrometer (TD-GC/MS).

De monsters worden representatief gekozen op basis van geometrie en oppervlakte-uitvoering en komen overeen met de latere toepassing van het materiaal. De opbouw van de lagen bij meerlaagse toepassingen wordt afgestemd op de geplande toepassing. Als drager worden glazen schaaltjes van borosilicaatglas gebruikt, die VOC-vrij zijn. De voorbehandeling van de monsters gebeurt gedurende 30 dagen onder gecontroleerde klimatologische omstandigheden (kamertemperatuur 22+/-1 °C, relatieve luchtvochtigheid 45%). Een kruiscontaminatie tijdens opslag wordt voorkomen door gebruik te maken van een mini-omgeving met VOC-filtratie. De VOC-gereduceerde omgeving moet minimaal één klasse beter zijn dan de verwachte VOC-beoordeling van het monster.
Na de afzetting worden de materiaalmonsters gedurende een uur in een micro-testkamer bij atmosferische druk en een gestandaardiseerde temperatuur van 22 °C +/-1 °C verwarmd. De uit de materiaalmonsters vrijgekomen vluchtige organische verbindingen worden met behulp van een spoelgas op een sorptieruimte gespoeld en daar geadsorbeerd. De analyse van de sorptieruimte gebeurt door thermische desorptie en gekoppelde gaschromatografie met een massaspectrometer. Door thermische desorptie (TD) worden de VOC van de sorptieruimte gedesorbeerd en via een daaropvolgende analyse toegankelijk gemaakt volgens VDA 278. Uit de verkregen waarden wordt de materiaalspecifieke oppervlakte-emissiesnelheid SERa bepaald, die op haar beurt kan worden weergegeven in een eenvoudige materiaalklasse ISO-ACCm (VOC). De procedure is eveneens gestandaardiseerd beschreven in de nieuwe richtlijn VDI 2083 blad 17. (zie Fig. 2)

Figuur 3 toont een overzicht van de reikwijdte van de behaalde ISO-ACCm-klassen (VOC) van enkele geteste vloerbedekkingen en coatings.

2.3 Chemische bestendigheid

Voor het testen van de chemische bestendigheid bestaan verschillende internationaal erkende teststandaarden. Vooral voor materiaaltesten zijn de onderzoeken met behulp van onderdompelmethoden volgens DIN EN ISO 2812-1 of de gemodificeerde vlekmethode volgens VDI 2083 blad 18 gangbaar. Omdat het chemische spectrum van de uiteindelijk gebruikte reinigers of desinfectiemiddelen vooraf niet bekend kan zijn, moet een representatief spectrum van de mogelijke chemische groepen worden getest bij maximaal te verwachten concentraties. Deze aanpak biedt een fundamentele uitspraak over de chemische bestendigheid van het materiaal, maar kan geen definitieve uitspraken doen over een specifiek reinigings- of desinfectiemiddel. Deze aanpak is eveneens ontwikkeld binnen het CSM-Industrieverbond en gestandaardiseerd in VDI 2083 blad 17 en blad 18. In het CSM-proces wordt de chemische bestendigheid getest tegen de volgende tien representatieve reagentia, afhankelijk van de later te verwachten maximale concentratie in reinigings- en desinfectiemiddelen:

Chemische stoffen bij gassterilisatie:
• Formaldehyde (37%)
• Waterstofperoxide (30%)
• Perazijnzuur (15%)

Alcoholen voor reiniging en desinfectie:
• Isopropanol (100%)

Basen als onderdeel van basische reinigers:
• Natronloog (5%)
• Ammoniak (25%)

Zuren als onderdeel van zure reinigers:
• Zwavelzuur (5%)
• Zoutzuur (5%)
• Fosforzuur (30%)

Chloridhoudende reinigers:
• Natriumhypochloriet (5%)

Het gehele materiaalmonster wordt in een vat met de betreffende chemische stof geplaatst en daarna hermetisch afgesloten. Als een coating op een drager moet worden getest, moet erop worden gelet dat alle oppervlakken en randen van het dragermateriaal met de betreffende coating zijn afgedicht. Bij de gemodificeerde vlekmethode volgens VDI 2083-18 wordt de teststof in een glazen vat gedaan. De afdichting van het glazen vat en het testoppervlak worden aangebracht, in een apparaat geklemd en hermetisch afgesloten. Vervolgens wordt de opbouw van de testopstelling 180° gedraaid, zodat de teststof in contact kan komen met het proefstuk.

De proefobjecten worden gedurende één, drie, zes en 24 uur blootgesteld aan de respectievelijke reagentia bij kamertemperatuur en daarna visueel beoordeeld op zichtbare veranderingen. De beoordeling van de testresultaten gebeurt visueel bij tienvoudige vergroting op basis van de volgende criteria: verandering in glans, verkleuring of vergeling, bronnen, belletjesvorming, hoeveelheid waargenomen schade, grootte van de schade en intensiteit van de veranderingen.

Volgens ISO 4628-1 tot -5 worden er voor de evaluatie duidelijke kengetallen toegekend. Het slechtste kengetal van elke chemische stof na 24 uur wordt gebruikt voor de vergelijkende beoordeling. Het gemiddelde van alle tien kengetallen geeft de classificerende en vergelijkbare beoordelingswaarde in het CSM-proces. (zie Fig. 4 en Fig. 5)

2.4 Biologische bestendigheid

Voor het onderzoek naar de biologische bestendigheid, oftewel de inertie van de gebruikte materialen ten opzichte van bacteriën en schimmel, is de internationale testnorm ISO 846 gangbaar. Deze test dient om te beoordelen of het testmateriaal onder de in de testnorm voorgeschreven omstandigheden inert is ten opzichte van schimmels (Procedure A) en bacteriën (Procedure C), of dat de onderzochte materialen door micro-organismen kunnen worden afgebroken. De proefopzetten worden bij 24 °C en 95% relatieve luchtvochtigheid geïncubeerd en na vier weken visueel geëvalueerd. De numerieke ISO-beoordeling van beide procedures A en C krijgt een beoordelingskenngetal dat gebaseerd is op een 'worst-case'-benadering van beide procedures. (zie Fig. 6)

2.5 Microbiocide eigenschappen

Een mogelijk aanwezige microbiocide eigenschap van een materiaal kan worden onderverdeeld in bactericide werking (werking tegen bacteriën) en fungicide werking (werking tegen schimmels).

De bepaling van de bactericide werkzaamheid gebeurt volgens ISO 22196. Daarbij worden de op de oppervlakte aangebrachte bactericide eigenschappen en de overeenkomstige niet-bactericide oppervlakken geïnfecteerd met de bacteriën Staphylococcus aureus en Escherichia coli. Na 24 uur incubatie worden de koloniebouwende eenheden (KBE) van het behandelde en onbehandelde monster bepaald met behulp van een afdrukmethode en geëvalueerd. De kengetal wordt bepaald door de reductiefactor R = log(KBE onbewerkt / KBE behandeld). Bij de afdrukmethode wordt een vast incubatiemedium (Caseïne-soja-pepton-agar) met een oppervlakte van ongeveer 50 cm² op een vlak oppervlak met een bepaalde druk gedurende een bepaalde tijd gedrukt (vijf seconden met een druk zodat, indien mogelijk, het hele oppervlak in contact komt met het medium, maar zonder dat luchtbellen ontstaan; een gewicht van 1 kg wordt aanbevolen). De incubatie gebeurt volgens de andere kweekmethoden.

De bepaling van een aanwezige fungistatische of fungicide werking kan volgens ISO 846 Procedure B worden uitgevoerd. Afhankelijk van de vorming van een remlaag na het plaatsen van een materiaalmonster op een vooraf volledig gekoloniseerde petrischaal, kan de fungistatische of fungicide eigenschap worden beoordeeld.

2.6 Reinigbaarheid - Riboflavinetest

Een voldoende reinigbaarheid is vanuit hygiënisch oogpunt in het algemeen noodzakelijk om een hygiënisch veilige proces en zo lang mogelijk houdbare producten te garanderen. Hoe goed een materiaal door een wisbeurt kan worden gereinigd, kan worden gecontroleerd met de gestandaardiseerde testmethode zoals beschreven.

De methode is gebaseerd op de Riboflavin-test van de Vereniging van Duitse Maschinen- en Anlagenbauer (VDMA). Het doel van deze test is het kwalitatief aantonen in hoeverre een fluorescerende testcontaminatie door toepassing van een representatief geselecteerde reinigingsprocedure kan worden verminderd. Daartoe wordt een fluorescerende testverontreiniging aangebracht, waarmee het te testen materiaal wordt besmet. Het voordeel van de fluorescerende testverontreiniging is de zeer lage detectiegrens en de uitstekende lokale beelddocumentatie. De testverontreiniging wordt gedurende twee uur laten drogen. Daarna wordt het oppervlak van het materiaal met behulp van een lineaire wis-simulator met drie wisbeurten vochtig gereinigd (eerste wisbeurt: verwijderen van de verontreiniging; tweede wisbeurt: reinigen van de testverontreiniging; derde wisbeurt: verwijderen van eventuele verschuivingen). Na de reiniging wordt de eventuele resterende vervuiling gedetecteerd door fluorescerende stimulatie met behulp van uitgebreide beelddocumentatie. Om voldoende statistische zekerheid te verkrijgen, worden drie herhaalproeven uitgevoerd. De beoordeling van de test gebeurt volgens ISO 4628-2 'Beoordeling van coatingbeschadigingen'. Hier worden de fluorescerende resten beoordeeld op hoeveelheid en grootte en toegewezen aan een kengetal volgens ISO 4628-1. Deze beoordeling houdt rekening met niet-reinigbare plekken vanwege aanwezige oppervlaktefouten (scheuren, gaten, etc.) en de oppervlakte-structuur (oppervlaktetextuur, ruwheid, microstructuur, etc.). Vervolgens wordt een classificatie uitgevoerd volgens VDI 2083 blad 17. (zie Fig. 7)

In Fig. 8 wordt illustratief de beelddocumentatie weergegeven van een reinigbaarheidsonderzoek van een materiaaloppervlak.

2.7 CSM-classificatie

De procedure voor de CSM-classificatie met betrekking tot de deeltjesemissie van materiaalkoppelingen is gedetailleerd beschreven en gestandaardiseerd in de richtlijn VDI 2083 blad 17. De vastgestelde materiaalkenwaarde wordt weergegeven als ISOm-klasse. Voor de CSM-classificatie van het gasgevingsgedrag van materialen wordt de vastgestelde materiaalspecifieke oppervlakte-emissiesnelheid SERa via eenvoudige logaritmering omgezet in de overeenkomstige materiaalklasse ISO-ACCm x (VOC). De classificatie van chemische en microbiële bestendigheid, microbiocide werking en reinigbaarheid op basis van de Riboflavin-test wordt uitgevoerd volgens het in Fig. 9 weergegeven schema.

3. Samenvatting

Het rekening houden met verschillende zuiverheidsaspecten in contaminatiegevoelige productieomgevingen vereist uitgebreide kennis bij de selectie van geschikte materialen. Betrouwbare procedures voor het testen en beoordelen van de reinheidsgeschiktheid van materialen maken een objectieve materiaalklassement mogelijk. De procedure is gestandaardiseerd in de richtlijn VDI 2083 blad 17. De reeds op internationaal niveau lopende ISO-standaardisatie is gebaseerd op deze VDI-richtlijn. Door een groot aantal materiaaltesten ontstaat een uitgebreide kennisbasis over de geschiktheid van materialen voor contaminatiegevoelige productieomgevingen. Op www.tested-device.com en www.ipa-csm.com zijn de eerste wereldwijd beschikbare databanken voor cleanroom- en hygiënegeschikte materialen en bedrijfsbenodigdheden van het Fraunhofer IPA opgericht. De voor het publiek toegankelijke materialen en resultaten kunnen te allen tijde worden ingezien. De gerichte selectie van materialen voor contaminatiegevoelige productieomgevingen wordt daarmee al in de ontwerpfase van de productieomgeving mogelijk gemaakt. (zie Fig. 10)

4. Verdere literatuur

- Keller, Markus (2010): Emissies van reinraumgeschikte materialen. ReinRaumTechnik (Nr.3), S. 14–17.

- Keller, Markus (2011): Nachlese CSM-Treffen 2011. ReinRaumTechnik 13 (Nr.2), S. 10.

- Keller, Markus (2012): De opkomende contaminatietype. Moleculaire verontreiniging in cleanrooms. ReinRaumTechnik 14 (Nr.3), S. 24–26

- Keller, Markus; Gommel, Udo (2012): Forschung Reinraumbodensysteme. TechnoPharm 2 (Nr.1), S. 30–41.

- Keller, Markus; Gommel, Udo; Verl, Alexander (2012): Testprocedure voor het bepalen van materiaalspecifieke VOC-emissies en voorspellingsmodel voor VOC-niveaus in gecontroleerde productieomgevingen. Chemical Engineering Transactions 30, S. 301–306.

- Keller, Markus; Gommel, Udo (2013): Onderzoek naar hygiënische vloersystemen - Deeltjes- en VOC-emissies, chemische en microbiële bestendigheid en reinigbaarheid. In: EHEDG European Hygienic Engineering & Design Group (Hg.): EHEDG Yearbook 2013/2014. Frankfurt: VDMA Verlag GmbH, S. 30–41.