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L'ambiente: le camere pulite

I processi di micro e nanofabbricazione avvengono in ambienti dalle caratteristiche particolari, detti "camere pulite", che contengono gli impianti per la fabbricazione e la diagnostica dei dispositivi in fase di lavorazione, e in cui gli operatori entrano per controllare e avviare i processi. Nella camera pulita la temperatura e l’umidità sono accuratamente regolate in modo che i processi siano ben controllabili e riproducibili, ma la caratteristica più importante è il controllo sul numero e sulla dimensione delle particelle di polvere presenti nell'atmosfera, da cui viene appunto il nome "camera pulita".

oggetto	dimensioni approssimative
granelli di sabbia	2 mm ÷ 60 μm
diametro capelli umani	100 ÷ 60 μm
batteri	30 ÷ 0.3 μm
globulo rosso	7.5 μm
fumo di tabacco	1μm ÷10 nm
virus	40 ÷ 3 nm
fullerene (C60)	1 nm
atomo	0.4 ÷ 0.1 nm

Nell'aria normale sono presenti in media un milione di particelle con diametro superiore a 100 nm in un volume pari a un piede cubo (33x33x33 cm³; si usano per tradizione le unità di misura americane). Queste particelle possono facilmente interferire con processi di fabbricazione in cui la risoluzione tipica è dello stesso ordine di grandezza, quindi bisogna ridurne il numero filtrando opportunamente l'aria.

Un operatore in camera pulita, al microscopio

Altre precauzioni vanno prese per evitare che gli operatori stessi inquinino l'atmosfera: una persona ferma genera 10⁵ particelle per piede cubo, 10⁷ se cammina. Gli operatori quindi entrano nella camera pulita solo se vestiti appropriatamente con tute di fibre speciali che non producono particelle, copriscarpe, cuffia per coprire i capelli, maschere sulla bocca, guanti e a volte occhiali di protezione. Questa tenuta è detta "bunny suit" (vestito da coniglio) e la procedura di vestizione va rispettata scrupolosamente, tanto più quanto più è pulita la camera. Data l'estrema sensibilità del prodotto in fase di fabbricazione alle scariche elettrostatiche prodotte dagli operatori, tra le fibre della tuta sono immerse delle fibre di carbonio che conducono tali scariche elettrostatiche a terra mediante una particolare gomma conduttrice che realizza i copriscarpe (il pavimento di una camera pulita è formato da piastrelle di materiale conduttore che permettono appunto la dissipazione di tali scariche evitando quindi il danneggiamento del prodotto in fase di produzione).

termine italiano	termine inglese
vestizione	gown up
tuta	coverall garment
copriscarpe	boots
cuffia	hairnet
guanti	gloves
maschera	face mask
occhiali di sicurezza	safety glasses

Una volta vestiti, si entra nella camera attraverso una cabina con due porte stagne in cui si aziona una doccia d’aria, per rimuovere particelle superficiali. Anche i materiali all'interno della camera sono speciali: la carta è una specie di panno-carta che produce poche fibre e lo stesso vale per i panni usati per pulire le superfici, le matite sono proibite (producono polvere di grafite), gli inchiostri delle penne sono speciali.

Filtri assoluti

Per ottenere una riduzione del numero di particelle presenti, l'aria nella camera pulita è immessa solo dopo averla fatta passare attraverso filtri appositi, detti filtri assoluti, che intrappolano i granelli di polvere. La filtrazione deve trattare un volume di aria pari al volume della camera pulita (tipicamente un ambiente di centinaia di metri quadri), garantendo ricambi d'aria frequenti.

I filtri HEPA (High Efficiency Air Particulate) sono fatti con strati alternati di materiale cartaceo e fibre di vetro e sono in grado di trattenere il 99.97% delle particelle di dimensione maggiore di 0.3 μm.

Un'ulteriore filtrazione si ha con gli ULPA (Ultra Low Particle Air), che trattengono il 99.9995% di particelle con diametro maggiore di 0.12 μ m. Le particelle ancora più piccole si eliminano individualmente con scariche elettrostatiche. Infine, ambienti estremamente puliti possono essere creati in una zona limitata usando delle cappe a flusso laminare.

Classificazione delle camere pulite

Le camere pulite sono classificate a seconda del numero di particelle di diametro prestabilito, presenti in un volume predeterminato.

Uno degli standard più usati è quello degli Stati Uniti (Federal Standard 209 E), in cui si conta il numero di particelle di diametro maggiore di 0.5 μ m in un volume di un piede cubo.

classe	n. particelle per ft3 con diametro>0.5 μm	n. particelle per ft3 con diametro>5 μm	costo per ft2 in US$ (anno 2000)
100000	<100000	650	50
10000	<10000	65	200
1000	<1000	6.5	400
100	<100	0.65	1200
10	<10	0.065	3500
1	<1	0.0065	10000

Altri sistemi di classificazione sono il Metrico, in cui il volume di riferimento è un metro cubo, e il nuovo standard ISO 14644-1, che dà un maggiore dettaglio sulla distribuzione delle particelle riguardo al diametro.

Classificazione ISO 14644-1
Numero di particelle per metro cubo elencate secondo il diametro.

	0.1 μ m	0.2 μ m	0.3 μ m	0.5 μ m	1 μ m	5 μ m	Classe equivalente
ISO 1	10	2
ISO 2	100	24	10	4
ISO 3	1,000	237	102	35	8		1
ISO 4	10,000	2,370	1,020	352	83		10
ISO 5	100,000	23,700	10,200	3,520	832	29	100
ISO 6	1,000,000	237,000	102,000	35,200	8,320	293	1000
ISO 7				352,000	83,200	2,930	10000
ISO 8				3,520,000	832,000	29,300	100000
ISO 9				35,200,000	8,320,000	293,000

Per le camere pulite sterili usate nella fabbricazione di farmaci, la classificazione è ancora diversa e si parla di grado A,B,C,D.

Altri servizi in camera pulita

Oltre al trattamento dell'aria, la camera pulita fornisce vari altri servizi necessari al funzionamento degli impianti e all'esecuzione dei processi:

• acqua o liquidi di raffreddamento per pompe da vuoto, forni, impianti per film sottili. Generalmente il fluido refrigerante scorre in un circuito chiuso.
• cappe chimiche in cui eseguire i vari processi. Le cappe aspirano i vapori prodotti dai vari reagenti chimici in cui vengono immersi i campioni e permettono di lavorare in sicurezza. Inoltre sono provviste di sistemi per il corretto smaltimento dei rifiuti chimici (chemical disposal).
• acqua deionizzata, ovvero privata di sali e ioni in modo che raggiunga un resistività maggiore di 18 MΩ cm, ovvero vicina a quella dell'acqua pura. Viene usata per il risciacquo e la pulizia dei campioni nel corso del processo, ed è prodotta a partire da acqua corrente con stadi di filtraggio successivi: l'ultimo stadio elimina le particelle di diametro maggiore di 0.2 μm.
• aria compressa per far funzionare valvole pneumatiche. L'aria deve essere abbastanza secca e priva di residui oleosi per non danneggiare gli impianti, cosa che viene ottenuta con filtri speciali.
• azoto secco a pressione, quando i sistemi pneumatici hanno bisogno di un gas compresso particolarmente "pulito" ed economico. Inoltre si usa azoto per raffreddare parti di impianti con un flusso continuo di gas pulito.
• energia elettrica per alimentare i vari impianti.
• gas speciali per i vari processi. Si utilizzano molte specie diverse di gas, come argon, ossigeno, azoto, elio, composti del cloro e del fluoro, metano, silano, fosfina etc., ad elevato grado di purezza. I gas sono compressi a circa 200 Atm in bombole, contenute in appositi armadi di sicurezza. Le linee che collegano le bombole agli impianti devono essere di tipo particolare, tipicamente acciaio inox con interno elettrolucidato, per non inquinare i gas che vi passano attraverso.
• vuoto, generalmente a livello di vuoto di rotativa (10^-2 - 10^-3 mBar), utilizzato per compiti accessori, ad esempio per fissare un substrato al piatto dello spinner durante la stesura del resist.

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