Een cleanroom alleen maakt niet schoon

Veranderde reinlichheidsvereisten in soort en hoeveelheid, vereisen andere testmethoden. Naast technisch complexe en tijdrovende procedures (bijvoorbeeld XPS, ATR/FTIR, TOF-SIMS enz.), heeft de UV-lichtinspectie zich bewezen als een snelle methode die zelfs de kleinste deeltjes of vezels zichtbaar maakt. (Foto/Grafiek: LPW)

Inzicht in het TDZ: Het reinigen van onderdelen vóór of in de cleanroom is de afgelopen jaren de dagelijkse praktijk geworden. (Foto/illustratie: LPW)

Niets komt de cleanroom binnen zonder voorreiniging om eventuele contaminaties te voorkomen. (Foto/Illustratie: LPW)

De LPW-zuiverwater-voorzieningsunit voor de finale spoelingen in de TDZ vormt een verdere belangrijke bouwsteen bij het waarborgen van de proceskwaliteit. (Foto/beeld: LPW)

De LPW-zuiverwater-voorzienheidseenheid voor de laatste spoelingen in het TDZ vormt een verdere belangrijke bouwsteen bij het waarborgen van de proceskwaliteit. (Foto/illustratie: LPW)

De kwaliteit van de schone kamerlucht met betrekking tot de deeltjesbelasting en de omslagfrequentie wordt gewaarborgd in een circulatiefiltersysteem en aangestuurd via procesgegevensmonitoring (onder andere met een deeltjesdetector). (Foto/Grafiek: LPW)

De reinigingsinstallatie kan door ongewenste kruisbesmetting opnieuw vervuilen, niet alleen tijdens het reinigingsproces zelf, van de goederen. Ook het onderhoudsgebied is vaak een bron hiervan en wordt daarom bij LPW-systemen altijd buiten de cleanroom geplaatst. (Foto/Grafiek: LPW)

Diagram (Foto/Grafiek: LPW)

Als het gaat om Industriële reinigingstechnologie, wordt er inmiddels ook steeds vaker gesproken over toepassingen vóór of in cleanrooms – en dat niet alleen in de medische en halfgeleidersegmenten. Er ontstaat echter soms de indruk dat alleen de combinatie van een reinigingsinstallatie met een cleanroom de oplossing zou bieden voor de voortdurend toenemende eisen aan de mate van technische netheid. Dat is niet het geval. Een cleanroom alleen maakt niet schoon. Het is slechts een onderdeel van een complexe totaalconcept.

De branche bevindt zich in een transitie. Hoewel sommige reinigingsoplossingen momenteel nog voldoende lijken, bereiken ze geleidelijk hun grenzen doordat ze bepaalde logisch-analytische benaderingen niet in acht nemen. Met andere woorden, als ze niet afgestemd zijn op de gehele procesketen en de omgevingsomstandigheden onder het aspect van de betreffende specificatie van netheid. En dat in elke, hoe klein ook, stap.

Verandering op alle niveaus

Om dat te begrijpen, helpt een korte terugblik: vroeger waren er enerzijds de klassieke taken, bijvoorbeeld in de machinebouw en de powertrain-automobielindustrie. En anderzijds de met de hoogste reinheidseisen verbonden reguleringen en validatievoorschriften (bijvoorbeeld bij medische hulpmiddelen, optische systemen en waferproductie). Maar in de afgelopen jaren zijn deze twee lijnen van industriële reinigingstechniek vrijwel samengegroeid. Vooral in 2019/2020 is deze ontwikkeling door de structurele herstructurering in bijna alle industrieën wereldwijd snel voortgeschreden. Dit leidt ertoe dat de hele branche zich nu moet bezighouden met de nieuwe technologische eisen en samen met de gebruikers naar oriëntatie zoekt. Soms ook in combinatie met de wens naar snelle oplossingen.

Maar snel is niet alles. De nieuwe producten en fabricagemethoden vereisen een gewijzigde en ook bewuste blik op de technische netheid in alle productieprocessen. Waren in het verleden bijvoorbeeld deeltjes en vezels het focuspunt, tegenwoordig domineren onder andere organische of anorganische moleculaire of giftige verontreinigingen met impact op de kwaliteit van de omgevingsomstandigheden en op de detectiemethoden. Bovendien is de geometrische complexiteit van de onderdelen in het segment van fijn- en ultra-fijnreiniging aanzienlijk toegenomen. Daarnaast variëren de onderdelen in grootte, van micro- tot XXL-componenten voor de lithografiesystemen in de halfgeleiderindustrie. En terwijl het vroeger vooral om grote series ging, gaat het tegenwoordig meer om kleine series of enkelstuks.

Daarnaast zijn de randparameters veranderd:

– De onderdelen zijn bij ontvangst vaak veel schoner dan de outputkwaliteit van tot nu toe bekende toepassingen (bijvoorbeeld in de klassieke automobielindustrie).
– De ‘nieuwe’ verontreinigingen zijn vaak niet snel detecteerbaar of duidelijk zichtbaar.
– De procesmedia (gasvormig of vloeibaar) en de omgevingsomstandigheden hebben directe invloed op de kwaliteit van het onderdeel in het gehele proces en kunnen onder andere leiden tot her- of kruiscontaminatie.

Vereisten aan productie en handling

Om te voldoen aan de actuele eisen aan netheid in productie en handling in de high purity-omgeving, moeten ongewenste verontreinigingen in de procesketen zo vroeg mogelijk en systematisch worden voorkomen vóór de eindreiniging. In de praktijk betekent dit dat naast de keuze van de juiste reinigingstechnische oplossing vooral de voorprocessen, de omgevingsfactoren, de gebruikte media en de daaropvolgende toepassingen grondig in de planning moeten worden betrokken. Dit vereist een gewijzigde mindset in de omgang met de materie en vervolgens een passende totaalconcept. Want een simpele combinatie van technische vaardigheden, zoals het koppelen van de reinigingsinstallatie aan een waterbehandeling en een ‘schone’ omgeving, is niet voldoende. Het gaat juist om een fijn afgestemde afstemming van de afzonderlijke aspecten, met als doel op de uiteindelijke gebruikslocatie een schone oppervlakte te verkrijgen.

De reinigingsinstallatie zelf wordt gezien als het schakelpunt tussen het voorproces en de gebruikslocatie, met geschikte omgevingsomstandigheden (bijvoorbeeld in de cleanroom of in een geschikte verpakking). Naast het realiseren van een hoger niveau van netheid heeft ze ook de taak om een omgeving met toenemende reinheid geleidelijk over te dragen in de volgende stappen, zonder kruis- of hercontaminatie. Naarmate het niveau van netheid tijdens het reinigingsproces toeneemt, moet ook de kwaliteit van de omgeving en de media zodanig worden aangepast dat een verslechtering kan worden uitgesloten – tot in de cleanroom. Deze heeft dan de taak, technisch en organisatorisch, om de behaalde standaard van het onderdeel tot aan de gebruikslocatie te handhaven.

In de praktijk

Nederland is een belangrijke locatie voor de Europese hightech. Daar produceert onder andere de ASML-groep EUV-lithografiesystemen voor de halfgeleiderindustrie. Twee toeleveranciers uit deze omgeving wenden zich tot LPW omdat de overgang van de productie van het huidige Grade 4 (vergelijkbaar met klassieke fijneeltjesreiniging) naar Grade 2 (met optie op Grade 1) op handen is. Dit betekent dat de filmische en fijndeeltjesomstandigheden van de fijn- en ultra-fijnreiniging met hoge eisen aan de zuiverheid van de omgevingsparameters centraal staan.

Bij klant LowersHanique ging het om hoogwaardige glas- en metalen onderdelen. Bij het bedrijf AAE om een groot aantal structuuronderdelen (voornamelijk aluminium) met grote variatie in onderdelen en enorme complexiteit. In het tweede geval lag de focus op moeilijke geometrische vormen, doorvoeringen en blindgaten met diameters van 2 tot 6 mm (met en zonder schroefdraad) en gevoelige oppervlakken. Beide klanten wilden in eerste instantie testen of de reinigingskwaliteit zonder beschadiging van de onderdelen mogelijk was en hoe her- of kruiscontaminatie kon worden voorkomen. Voorproeven bij andere fabrikanten hadden tot dan toe geen bevredigend resultaat opgeleverd.

Hoe te werk te gaan? Vanaf het begin werd intensief samengewerkt in co-engineering. Projecten van deze aard zijn voor beide partijen geen vanzelfsprekendheid en vereisen diepgaande discussies over onder andere de processen, materialen en hun eigenschappen, handling en de beoordeling van de kwaliteit. Elke individuele reinigingsstap, dus wasmechaniek, spoelen en vooral drogen, wordt getest en beoordeeld op haar positieve en negatieve invloeden op het gewenste resultaat. Daarnaast moet de aansluiting op de voor- en vervolgprocessen worden gepland. De overgang naar de cleanroom moet worden voorbereid, nog voordat een daadwerkelijke aankoopbeslissing wordt genomen. Voorwaarde is openheid en vertrouwen in de betrokken personen en hun omgeving. Het gaat in eerste instantie om een nieuwe reinigingsinstallatie, maar in werkelijkheid om het realiseren van hogere kwaliteitsniveaus in de productie.

Na de intensieve proeven in het cleanroomgebaseerde test- en dienstverleningscentrum (TDZ) van LPW, inclusief contractreiniging en het opzetten van procesgerichte totaalprocessen, gaven LowersHanique en AAE uiteindelijk hun opdrachten. Voor beide bedrijven werden klant-specifieke oplossingen gerealiseerd. Maar de transferopdracht was bij beide projecten uiteindelijk hetzelfde: het realiseren van het vereiste niveau van netheid voor de daaropvolgende cleanroomtoepassingen, onder voortdurende vermindering van externe invloeden door de omgevingsomstandigheden en de gebruikte media (lucht, water, chemicaliën).

De taken van morgen

Installatiesystemen hebben vandaag al de taak om de overdracht in de beschreven vorm te garanderen. Toekomstig zullen ze echter nog veel meer zorg moeten dragen voor de kwaliteit van de voorprocessen (schommelingen in aard en hoeveelheid van de verontreinigingen), de eigen processen (reinigen/spoelen/drogen) en de relevante omgevingsparameters. Dit wordt bereikt door een kwaliteitsgericht, proces- en parametergebaseerd monitoring, voortdurende bewaking en documentatie. Afwijkingen moeten onmiddellijk worden gemeld en bij voorkeur meteen worden gecorrigeerd, door de operator/kwaliteitsverantwoordelijke of binnen vooraf vastgestelde grenzen door het systeem zelf.

LPW neemt deze high purity-taken al meer dan 15 jaar serieus en behoort tot de pioniers in dit veld. De fijn- en ultra-fijnreiniging van complexe geometrieën vormt een van de kerncompetenties, en dergelijke installaties worden wereldwijd door gebruikers toegepast. Naast de geschikte systemen beschikken de specialisten uit Ried ook over de randapparatuur om de overdracht te waarborgen. In 2019 werd hiervoor speciaal het cleanroomgebaseerde test- en dienstverleningscentrum (TDZ) opgericht, waar het LPW Application Engineering-team, bestaande uit technici en ingenieurs, klanten ondersteunt bij de implementatie en optimalisatie van hun processen. Daarnaast wordt daar gewerkt aan onderzoeks- en ontwikkelingsprojecten. Ook onder cleanroomomstandigheden. Want hoewel een cleanroom niet op zich schoonmaakt, zorgt hij er wel voor dat na een op de eisen afgestemd totaalproces het moeizaam behaalde resultaat veilig op de gebruikslocatie kan worden gebracht.

Informatiekast: Eisen gisteren en vandaag

Tot nu toe lag de focus in de bewerkingsindustrie vooral op partikelverontreinigingen (metalen/niet-metalen), op vezels en op olie- en emulsieresten. De controle gebeurde bij deeltjes en vezels op basis van gewicht (gravimetrie) of op basis van grootte via microscopische analyse. Bij oliën en vetten meestal via de oppervlaktespanning of fluorescentiemetingen.

Vandaag de dag gaat het onder andere om organische en anorganische restanten, pigmentachtige verontreinigingen, algemene filmcontaminaties, toxische en biologische resten of ook vervuiling op moleculair- of atomaire schaal. Deze kunnen voorkomen op het oppervlak of in de bovenste lagen van het onderdeel. Daardoor veranderen ook de analysemethoden voor het bepalen van de netheid. In vakjargon wordt bijvoorbeeld gesproken over uitgasraten, bij micro-organismen over groeisnelheden en in sommige gevallen over analysemethoden zoals XPS, ATR/FTIR, TOF-SIMS. Maar ook de UV-lichtanalyse kan de benodigde informatie leveren voor de kwalitatieve beoordeling.