Najczystsze miejsce Instytutu Paula Scherera

W pomieszczeniach czystych Instytutu Paul Scherrer PSI odbywają się wysoce wrażliwe procesy. Pojedynczy pyłek w niewłaściwym miejscu mógłby mieć katastrofalne skutki. Rzut oka za kulisy do pomieszczeń, w których ze względu na czystość nawet ołówki są zabronione.

Kto odwiedza szkolenie w zakresie czystości w pomieszczeniach czystych u Martina Bednarzika, kierownika grupy ds. technologii w laboratorium mikro- i nanotechnologii LMN PSI, i jego koleżanki Anji Weber, po tym patrzy na swoje otoczenie nieodmiennie inaczej. Laboratorium posiada trzy pomieszczenia czyste. Dwa z nich znajdują się w części instytutu PSI Wschód, jeden mniejszy bezpośrednio przy źródle światła synchrotronu SLS, jednej z dużych instalacji badawczych PSI, po drugiej stronie Aary. „Tak jak PSI od zawsze prowadzi warsztaty mechaniczne, aby móc produkować komponenty potrzebne dla dużych instalacji, tak nowoczesne centrum badawcze potrzebuje również pomieszczeń czystych z procesami mikroprodukcyjnymi”, wyjaśnia Helmut Schift, kierownik grupy nanotechnologii polimerów.

Przed rozpoczęciem pracy w pomieszczeniu czystym w PSI, uczestnicy szkolenia w zakresie czystości odwiedzają dwudniowe wprowadzenie u Martina Bednarzika. Tam wyjaśnia, że człowiek, który się nie rusza, emituje 100 000 cząstek na minutę, głównie drobne skórki. Podczas sportu może to być nawet do 10 000 000 cząstek. Pod cząstkami rozumie się zasadniczo wszystkie cząstki tak małe, że mogą unosić się w powietrzu.

Bednarzik nie mówi tego, aby wywołać niepokój, lecz aby wyjaśnić, dlaczego pomieszczenia czyste, za które jest odpowiedzialny, są tak specjalne. Pomieszczenie czyste definiuje się przez liczbę cząstek unoszących się w jego powietrzu. W zwykłym pomieszczeniu może ich być do miliona na stopę sześcienną. W pomieszczeniach czystych PSI może być maksymalnie tysiąc tych cząstek unoszących się w powietrzu na stopę sześcienną. Jedna stopa sześcienna to około 28 litrów, czyli mniej więcej ilość powietrza w komorze mikrofalówki. W niektórych miejscach w pomieszczeniu czystym może być nawet tylko dziesięć cząstek na stopę sześcienną. I to mimo że w pomieszczeniu poruszają się ludzie, którzy nieprzerwanie emitują cząstki.

Bezzapachowy kombinezon

Dlatego w szkoleniu w zakresie czystości uczą się również, jak zgodnie z przepisami zakładać specjalne kombinezony wraz z czepkiem na głowę i nakładkami na stopy. W pomieszczeniu czystym nie wolno nawet pisać zwykłym papierem. Zalecany jest specjalny, bezpyłowy papier do pomieszczeń czystych. Również gumki do mazania i ołówki są zabronione.

Surowe zasady są konieczne, ponieważ w mikro- i nanotechnologii produkcja musi odbywać się w ekstremalnie czystym środowisku.

Warstwa po warstwie wykuwa się tam z wafli krzemowych skomplikowane struktury (zob. ramka). Wafla pokrywa się światłoczułym lakierem, nakłada się specjalną, częściowo przepuszczalną maskę i cały proces naświetla – podobnie jak w klasycznym laboratorium fotograficznym, gdzie negatyw czarno-białej fotografii naświetla się na papierze fotograficznym, aby przenieść motyw. Następnie lakier jest wywoływany, a wafla jest wytrawiany. W trakcie tego procesu przeniesiona struktura zagłębia się w głębię materiału. Pozostała warstwa lakieru jest usuwana, a proces powtarza się z kolejnymi maskami na tym samym waflu, aż do uzyskania pożądanej struktury.

W ten sposób powstają nanostrukturalne „soczewki” do promieniowania rentgenowskiego, używane na SLS lub komponenty do detektorów, które na CERN wykrywają nowo powstałe cząstki.

Pył jak głaz

Tak skomplikowane struktury potrzebne do takich elementów są tak delikatne, że pojedynczy pyłek, który trafiłby na wafla podczas procesu produkcji, byłby katastrofą. Thomas Neiger jest jednym z „techników infrastruktury” w pomieszczeniach czystych. Wyjaśnia, dlaczego powietrze w pomieszczeniu musi być tak ekstremalnie czyste: „Każde najmniejsze zanieczyszczenie wniknęłoby podczas obróbki w wafla. Pyłek jest jak głaz w porównaniu z elementem, który jest produkowany. Ryzyko, że obcy element trafi na wafla w naszych pomieszczeniach czystych, jest statystycznie bliskie zeru.”

Aby zapewnić środowisko niemal wolne od cząstek niezbędne do produkcji, technicy wkładają ogromny wysiłek w filtrację i przygotowanie powietrza. Ogromne urządzenia sięgają przez cały budynek. Oczyszczone, ogrzane i osuszone powietrze jest kierowane pionowo z góry na stanowiska pracy bez wirów i zawirowań, a przez perforowane stoły robocze jest odprowadzane z powrotem do pomieszczenia. W ten sposób niewielka liczba cząstek unoszących się w powietrzu nie osiada na powierzchniach roboczych. Powietrze w pomieszczeniu jest wymieniane co dwie minuty w całości.

Z powodu skomplikowanej techniki, każdy pomieszczenie czyste w zasadzie musiałoby mieć wysokość od 5 do 6 metrów. Większość tej przestrzeni zajmowałaby maszyna do przygotowania powietrza. W pomieszczeniach czystych PSI jest to dalekie od tej wysokości. Musieli je urządzić w istniejących budynkach o znacznie mniejszej wysokości pomieszczeń. Techników skłonił do tego trik: specjalna podłoga jest dwa razy w tygodniu pokrywana klejącą substancją. Zapobiega to unoszeniu się pozostałych cząstek.

Wszystkie urządzenia w pomieszczeniu czystym pracują nieprzerwanie 24 godziny na dobę. Tylko w ten sposób można zapewnić stałą temperaturę, niezbędną do skomplikowanych procesów produkcyjnych. Sieci są zasilane z baterii, ponieważ niektóre maszyny nie tolerują przerw w zasilaniu. „Często musimy nawet zapewnić własne częstotliwości napięcia, ponieważ producenci maszyn sprowadzanych z USA nie dbają o nasze szwajcarskie częstotliwości”, relacjonuje Thomas Neiger.

Jak w kosmonautyce

„Oczywiście musimy regularnie wyjaśniać, dlaczego to, co robimy, jest tak drogie. Zasadniczo można powiedzieć: musimy działać tak samo niezawodnie, jak w kosmonautyce”, mówi Helmut Schift. Rachunek jest prosty: prowadzenie jednego metra kwadratowego pomieszczenia czystego kosztuje co najmniej tysiąc franków rocznie. „Wszystko jest w to wliczone, od specjalnych rękawic po koszty energii na klimatyzację”, wyjaśnia Schift. „Koszty utrzymania i podstawowe są wysokie. Ale wyniki produkcji są zawsze bezbłędne i można je powtarzać w każdej chwili. I to jest najważniejsze.”

Wafle

Wafelki używane w PSI (ang. „waffle”) to okrągłe, około 0,5 mm grubości płyty z krzemu lub innego materiału półprzewodnikowego. W przemyśle półprzewodników stanowią podstawę dla układów scalonych, takich jak na przykład układy komputerowe. W PSI wafle są jednak używane jako materiał o doskonałej czystości do produkcji soczewek rentgenowskich, detektorów lub „matryc odlewowych”.