L'ambiente: la camera pulita

Una camera pulita (cleanroom) è un ambiente controllato progettato per minimizzare la presenza di particelle sospese nell’aria, mantenendo parametri stabili di temperatura, umidità e pressione, essenziali per processi di micro e nanotecnologia dove anche piccole impurità possono compromettere i risultati.

La funzione principale di una camera pulita è di avere un ambiente capace di controllare contaminanti e garantire riproducibilità e resa nei processi micro/nano-fabbricazione. Per tali processi sono necessari tali ambienti 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.

Dimensione di alcune particelle
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.

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.

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.

Vestizione

Gli operatori 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).

La procedura di vestizione che il personale deve seguire prima di accedere alla camera pulita è studiata per evitare che parti del corpo già protette entrino in contatto con superfici non controllate, seguendo un ordine che minimizza la ricontaminazione. Poiché l’essere umano è una delle principali sorgenti di contaminazione (pelle, capelli, fibre, aerosol respiratori), questa sequenza è essenziale per garantire il mantenimento della classe di pulizia.

Una sequenza tipica prevede:

Rimozione di oggetti personali: Gioielli, orologi e accessori vengono rimossi perché possono generare particelle o interferire con l’abbigliamento protettivo.
Indossare cuffia e copribarba: i capelli e i peli sono una delle principali fonti di fibre e particelle.
Indossare camice o tuta da cleanroom, realizzati in materiali a bassa emissione di particelle, impediscono il rilascio di contaminanti dagli indumenti civili.
Calzari o scarpe dedicate: il suolo è una fonte significativa di contaminazione; l’uso di calzature dedicate o copriscarpe è fondamentale.
Mascherina e guanti: la mascherina riduce l’emissione di aerosol respiratori, mentre i guanti impediscono il contatto diretto tra pelle e superfici di lavoro.

termine italiano	termine inglese
vestizione	gowning
tuta	cleanroom suit
copriscarpe	shoe covers
cuffia	bouffant cap
copribarba	beard cover
guanti	gloves
maschera	face mask
occhiali di sicurezza	safety glasses

Una volta vestiti, si entra nell'airlock.

Airlock

L’airlock è un sistema di ambienti intermedi tra l’esterno e la camera pulita vera e propria, progettato per ridurre drasticamente l’introduzione di contaminanti durante l’ingresso del personale e dei materiali. Il principio su cui si basa è quello del passaggio graduale, sia dal punto di vista della pulizia dell’aria sia della pressione.

Dal punto di vista fluidodinamico, la camera pulita è mantenuta a una pressione leggermente superiore rispetto agli ambienti adiacenti. In questo modo, all’apertura delle porte, il flusso d’aria è diretto dall’interno verso l’esterno, impedendo l’ingresso di aria non controllata. Il passaggio attraverso più ambienti con classe di pulizia progressivamente più elevata consente inoltre di rimuovere, in modo incrementale, particelle sospese, fibre tessili e contaminanti trasportati dagli operatori.

Spesso l’airlock è dotato di una doccia d’aria, che soffia aria filtrata ad alta velocità per distaccare le particelle residue dalla superficie degli indumenti prima dell’ingresso nella camera pulita.

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.

Il sistema di riferimento più usato è quello 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	0,55 μ m	1 μ m	5 μ m	Classe equivalente	Esempi
ISO 1	10	2						giroscopi per GPB
ISO 2	100	24	10	4				nodo di processo 2nm 2025
ISO 3	1000	237	102	35	8		1	nodo di 7 nm 2018
ISO 4	10000	2370	1020	352	83		10	nodo di 22 nm 2012
ISO 5	100.000	23700	10200	3520	832	29	100	nodo di 45 nm 2007
ISO 6	1.000000	237.000	102.000	35.200	8320	293	1000	nodo di 90 nm 2004
ISO 7				352.000	83.200	2.930	10.000	nodo di 180 nm 1999
ISO 8				3.520.000	832.000	29.300	100000	Preparazione di medicinali non sterili
ISO 9				35.200.000	8.320.000	293.000		Assemblaggio di componenti meccanici

La corrispondenza tra nodi tecnologici della microelettronica e classi delle camere pulite, non è ufficialmente standardizzata: ogni fabbrica definisce i propri requisiti in base a processi, materiali e rese produttive. Tuttavia, la tendenza è chiara: più piccolo è il nodo, più pulito deve essere l’ambiente.

All’aumentare della classe ISO cresce drasticamente la probabilità che una singola particella comprometta un dispositivo micro- o nanometrico, rendendo necessarie classi molto basse (ISO 5 o superiori) per la microfabbricazione.

Il Federal Standard 209E è oggi superato, ma viene spesso riportato per confronto con la classificazione ISO, che rappresenta lo standard di riferimento moderno. In tale standard si contano il numero di particelle presenti di diametro maggiore di 0.5 μ m in un volume di un piede cubo.

**Federal Standard 209E**
Numero di particelle per piede cubo elencate secondo il diametro
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

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 aspiranti 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 fotoresist.

BIBLIOGRAFIA

William Whyte; Cleanroom technology: fundamentals of design, testing and operation; John Wiley & Sons; (2011).

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