De puurste plek van het Paul Scherrer Instituut

In de cleanrooms van het Paul Scherrer Instituut PSI vinden uiterst gevoelige processen plaats. Een enkel stofdeeltje op de verkeerde plek kan fatale gevolgen hebben. Een kijkje achter de schermen in ruimtes waar zelfs potloden vanwege de netheid verboden zijn.

Wie bij Martin Bednarzik, groepsleider Technologie bij het PSI-labor voor Micro- en Nanotechnologie LMN, en zijn collega Anja Weber de cleanroomtraining volgt, bekijkt zijn omgeving daarna onvermijdelijk anders. Het laboratorium beschikt over drie cleanrooms. Twee bevinden zich in het instituutsdeel PSI Oost, een kleiner gedeelte direct aan de Zwitserse Synchrotron Lichtbron SLS, een van de grote onderzoeksfaciliteiten van PSI, aan de andere kant van de Aare. «Net zoals PSI altijd al mechanische werkplaatsen heeft gehad om de componenten voor de grote installaties te vervaardigen, heeft een modern onderzoekscentrum ook cleanrooms met microfabricageprocessen nodig», legt Helmut Schift uit, groepsleider Polymeernanotechnologie.

Voordat men in PSI in de cleanroom mag werken, volgt men bij Martin Bednarzik een tweedaagse introductie. Daar legt hij uit dat een mens die stilzit, 100.000 deeltjes per minuut afgeeft, voornamelijk kleine stukjes huid. Tijdens het sporten kunnen dat tot wel 10.000.000 deeltjes zijn. Met deeltjes worden in principe alle deeltjes bedoeld die zo klein zijn dat ze in de lucht kunnen zweven.

Bednarzik vertelt dit niet om onrust te veroorzaken, maar om uit te leggen waarom de cleanrooms waarvoor hij verantwoordelijk is zo bijzonder zijn. Een cleanroom wordt gedefinieerd door het aantal deeltjes dat in de lucht zweeft. In een gewone kamer kunnen dat tot een miljoen deeltjes per kubieke voet zijn. In de cleanrooms van PSI mogen maximaal duizend van deze zwevende deeltjes per kubieke voet worden gemeten. Een kubieke voet komt ongeveer overeen met 28 liter, dat is ongeveer de hoeveelheid lucht in de ovenruimte van een magnetron. Op bepaalde plaatsen in de cleanroom mogen het zelfs slechts tien deeltjes per kubieke voet zijn. En dat, hoewel mensen zich daarin bewegen en voortdurend deeltjes afgeven.

Stofvrije overall

Daarom leert men tijdens de cleanroomtraining ook om zich volgens de voorschriften de speciale overalls met hoofdlap en schoenafzetstukken aan te trekken. In de cleanroom mag zelfs niet op gewoon papier worden geschreven. Speciaal, stofvrij cleanroompapier is verplicht. Ook gum en potloden zijn verboden.

De strenge regels zijn nodig omdat in micro- en nanofabricage onder uiterst schone omstandigheden geproduceerd moet worden.

Laag voor laag worden daar uit siliciumwafern complexe structuren vervaardigd (zie kader). De wafer wordt hiervoor bedekt met lichtgevoelige lak, een speciale doorlatende sjabloon wordt aangebracht en het geheel wordt belicht – vergelijkbaar met een klassiek fotolaboratorium, waar je het negatief van een zwart-witfoto op fotopapier belicht om het motief over te brengen. Vervolgens wordt de lak ontwikkeld en de wafer geëtst. Daarbij dringt de overgebrachte structuur in de diepte van het materiaal door. De resterende laklaag wordt verwijderd en het proces wordt met andere sjablonen op dezelfde wafer herhaald, totdat de gewenste structuur voltooid is.

Op deze wijze ontstaan nanostructuur-lenzen voor röntgenstralen, zoals ze worden gebruikt bij SLS of componenten voor detectors die bij CERN nieuw ontstane deeltjes detecteren.

Stof als rotsblok

De voor dergelijke onderdelen benodigde uiterst complexe structuren zijn zo fijn dat een enkel stofdeeltje dat tijdens het fabricageproces op de wafer terechtkomt, een ramp zou zijn. Thomas Neiger is een van de «technici voor infrastructuur» van de cleanrooms. Hij verduidelijkt waarom de lucht in de ruimte zo extreem schoon moet zijn: «Elk nog zo klein verontreiniging zou zich tijdens het bewerkingsproces in de wafer kunnen ingraven. Een stofdeeltje is te vergelijken met een rotsblok in vergelijking met het onderdeel dat wordt geproduceerd. Het risico dat een vreemd voorwerp op de wafer terechtkomt in onze cleanrooms, is statistisch gezien bijna nul.»

Om de voor de productie benodigde, bijna partikelfrije omgeving te bieden, doen de technici een enorme inspanning voor filtering en luchtbehandeling. Gigantische installaties lopen door het hele gebouw. De gereinigde, getempereerde en ontvochtigde lucht wordt boven de werkplekken recht omhoog en zonder wervelingen in de ruimte geleid en via de geperforeerde werktafels weer afgevoerd. Zo kunnen de weinige resterende zwevende deeltjes zich niet op de werkoppervlakken afzetten. De lucht in de ruimte wordt elke twee minuten volledig ververst.

Vanwege de geavanceerde techniek zou elke cleanroom in principe een hoogte van 5 tot 6 meter moeten hebben. Het grootste deel hiervan wordt ingenomen door de luchtbehandelingsinstallaties. Van deze hoogte is bij de PSI-cleanrooms echter ver verwijderd. Ze moesten ze in bestaande gebouwen met veel lagere plafonds inrichten. Daarom grepen de technici naar een truc: een speciale vloer wordt twee keer per week behandeld met een kleverige substantie. Die voorkomt dat de weinige resterende deeltjes worden opgewerveld.

Alle apparaten in de cleanroom draaien onafgebroken 24 uur per dag. Alleen zo kan een constante temperatuur worden gehandhaafd, die essentieel is voor de complexe fabricageprocessen. De netwerken worden op batterijen ondersteund, omdat sommige machines geen stroomuitval verdragen. «Soms moeten we zelfs eigen spanningsfrequenties aanleveren, omdat de fabrikanten van machines die we uit de VS betrekken, weinig rekening houden met onze Zwitserse frequenties», vertelt Thomas Neiger.

Zoals in de ruimtevaart

«Natuurlijk moeten we regelmatig uitleggen waarom wat wij doen zo duur is. In principe kun je zeggen: wij moeten net zo betrouwbaar werken als in de ruimtevaart», zegt Helmut Schift. De rekensom is eenvoudig: het gebruik van een vierkante meter cleanroom kost minimaal duizend Zwitserse Franken per jaar. «Hier is alles inbegrepen, van de speciale handschoenen tot de energiekosten voor de airconditioning», legt Schift uit. «De onderhouds- en vaste kosten zijn hoog. Daar staat tegenover dat de productieresultaten altijd perfect en reproduceerbaar zijn. En dat is waar het om draait.»

Wafer

De wafers die bij PSI worden gebruikt (Engels voor «wafel») zijn ronde, ongeveer 0,5 mm dikke schijven van silicium of een ander halfgeleidend materiaal. Ze vormen in de halfgeleiderindustrie de basis voor geïntegreerde schakelingen zoals bijvoorbeeld computerchips. Bij PSI worden de wafers echter gebruikt als perfect puur materiaal voor de productie van röntgenlenzen, detectors of «afdrukstempels».