Luft, mag sie noch so rein aussehen, enthält normalerweise Millionen von Tröpfchen und Partikeln pro Kubikmeter. Diese Aerosole sind einige zehntausendstel Millimeter groß.

In der Fertigung mikroelektronischer Bauteile sind selbst derart winzige Schwebstoffe höchst unerwünscht, weil Strukturen auf den Chips von gleichen Ausmaßen sind; Aerosole können somit Kurzschlüsse zwischen Leiterbahnen erzeugen oder – wie auch bei mikrosystemtechnischen Komponenten – überhaupt den Strukturaufbau behindern. Des weiteren gilt es, überall dort, wo Sterilität nötig ist, lebende Schwebstoffe zu vermeiden: Bakterien sind 1 bis 10, Sporen um 1 und Viren gar nur um 0,1 Mikrometer (tausendstel Millimeter) groß.

Integrierte Schaltkreise und mechanische Mikrostrukturen sowie Arzneien und viele Lebensmittel müssen darum in speziellen Reinräumen produziert werden. Durch hohen technischen Aufwand sucht man alles, was die empfindlichen Objekte umgibt, möglichst frei von Aerosolen zu halten – insbesondere die Luft selbst, die zudem meist noch frei von gasförmigen Verunreinigungen sein soll. Desgleichen müssen Operationsräume keimfrei gehalten werden.


Die Physik der Aerosole

Auf derart feine Partikel und Tröpfchen wirkt die Gravitation kaum; sie unterliegen vielmehr vorwiegend dem Einfluß von Kräften, die wie die Reibung über die Oberfläche vermittelt werden. Könnte man etwa einen würfelförmigen Kristall von 1 Millimeter Kantenlänge exakt in Kuben von 1 Mikrometer Kantenlänge zerlegen, erhielte man eine Milliarde Teilchen von insgesamt tausendfach größerer Oberfläche bei gleichem Volumen. Dementsprechend fällt ein Sandkorn noch der Schwerkraft folgend nach unten, hingegen bewegen sich Aerosole in Luft wie in einem zähen Brei: Sie scheinen zu schweben (darum die deutsche Bezeichnung Schwebstoffe); beispielsweise sinkt ein Teilchen von 1 Mikrometer Durchmesser langsamer als ein zehntel Millimeter pro Sekunde (Bild 1 links). Weil Tröpfchen und Partikel in der Größenordnung von 0,1 bis 1 Mikrometer am langsamsten sedimentieren, finden gerade sie sich in der Luft besonders häufig.

In der Nähe fester Grenzflächen werden Aerosole zudem durch Van-der-Waals-Kräfte wie magisch angezogen und lassen sich dann nur schwer entfernen (Bild 1 rechts). Sie zu entdecken ist schon schwierig genug – ein störendes Staubkörnchen von 0,3 Mikrometer Größe auf einem Siliciumscheibchen von 150 Millimeter Kantenlänge zu orten, aus dem beispielsweise ein Speicherchip werden soll, entspricht dem Unterfangen, einen verlorengegangenen Fußball irgendwo im Ruhrgebiet wiederzufinden.


Anforderungen

Die Einrichtung von Reinräumen wurde erst möglich, seit es spezielle Aerosol-Filter gibt, die je nach Feinheit aus der von außen zugeführten Luft nur eines von zehntausend oder sogar von einer Milliarde Teilchen passieren lassen. Diese Filter bestehen heute aus Glasfaserpapier, das sehr stark gefaltet ist, um die Oberfläche zu vergrößern. Die ersten Filter dieser Bauart wurden aus Cellulose hergestellt und im Zweiten Weltkrieg in Gasmasken eingesetzt.

Verschmutzungsquellen außerhalb des Reinraumes lassen sich also durch Filtern und eine entsprechende Raumkonstruktion ausschalten, doch finden sich andere in den Reinräumen selbst – Personen, Maschinen und Materialien setzen unentwegt Aerosole frei. Man versucht darum, die Luft so zu führen, daß sie keine Tröpfchen und Partikel zu besonders empfindlichen Stellen verfrachten kann.

Als Maß für die Qualität eines Reinraumes gilt die Anzahl von Teilchen in einem Teilvolumen; die Definition berücksichtigt solche von 0,1 bis 10 Mikrometer Durchmesser, die ursprünglich besonders problematisch waren. Die ersten Vorschriften dieser Art wurden in den Vereinigten Staaten gemacht und verwenden keine metrischen Einheiten. Derzeit wird an einer neuen amerikanischen Norm gearbeitet, die gemeinsam mit einem europäischen Entwurf in eine international verbindliche ISO-Norm umgearbeitet werden soll.

Die Anzahl der Partikel kleiner oder gleich einem halben Mikrometer in einem Kubikfuß (rund 0,03 Kubikmeter) Luft geben den Reinraumklassen nach der derzeit noch gültigen Norm ihre Bezeichnung (Bild 3). So enthält ein Reinraum der Klasse 10000 im Mittel 10000 entsprechend große Teilchen im angegebenen Volumen, einer der Klasse 1 dagegen durchschnittlich nur eines davon. In der Norm sind die Summenhäufigkeiten der Partikelgrößen als Grenzkurven enthalten. Die Aerosoldurchmesser ermittelt man mit einem Lichtstrahl-Partikelzähler, der mit kugelförmigen Aerosolen bekannter Größe kalibriert worden ist. Je höher die Reinheitsklasse, desto länger die Meßzeit, weil eine Mindestzahl von Teilchen gemessen werden muß.


Misch- und Verdrängungsströmungen

Bei geringen Anforderungen reicht es aus, die vorhandenen Partikelkonzentrationen durch Verdünnen zu verringern; dazu wird von der Decke aus Luft mit einer Geschwindigkeit von ein bis zwei Metern pro Sekunde eingeblasen. Es entstehen große Strömungswalzen im Raum, die das Volumen durchmischen. Ab Reinraumklasse 100 muß man aber dazu übergehen, die partikelbehaftete Luft aus dem Raum zu verdrängen. Dazu strömt gefilterte Luft unablässig, und zwar gleichmäßig über eine große Eintrittsfläche verteilt ein und drückt wie ein Kolben die vorhandene hinaus. Das ist nur möglich, wenn die Strömung im ganzen Raum eine einheitliche Richtung hat; weil es normalerweise viele Störungen – vor allem durch Auftrieb an Wärmequellen – gibt, muß die Geschwindigkeit der Verdrängungsströmung fast einen halben Meter pro Sekunde betragen.

Der erforderliche Luftstrom ist deshalb ungefähr zweihundertmal größer als in normalen klimatisierten Räumen. Die Betriebskosten belaufen sich in der Regel auf mehrere tausend Mark pro Quadratmeter und Jahr.

Wie sich leicht vorstellen läßt, sind generell die besten Ergebnisse mit einer geordneten – laminaren – Strömung zu erzielen. In der Praxis entstehen aber vielfach Turbulenzen. Wie kann man sie erkennen, um ihre Ursachen zu beseitigen oder sie auf weniger gefährdete Bereiche eines Reinraumes zu beschränken?

Bahnen von Teilchen in einem bewegten Medium markieren die Stromlinien, wie schon der nordirische Ingenieur und Physiker Osborne Reynolds (1842 bis 1912), ein Pionier der Turbulenzforschung, demonstrierte: Er ließ Farbe durch dünne Kanülen in Flüssigkeitsströme eintreten. Blieben die Farbfäden erhalten, war die Strömung laminar; Turbulenzen hingegen verwirbelten die Stromlinien und lösten solche Fäden auf.

Für unsere Anwendung in Luft kann man Rauch verwenden; dabei müßten die Kanülen aber einen Durchmesser unter einem Millimeter haben, damit sie nicht ihrerseits die Strömung stören und Wirbelbildung anregen. Um die Photographien für diesen Beitrag zu gewinnen und dabei auch Wirbel sichtbar zu machen, haben wir deshalb Wachs auf einem beheizten, sehr dünnen Draht verdampft; es sublimiert in der Strömung sofort wieder zu sichtbaren Stromfäden.

Im Prinzip scheint es recht einfach zu sein, laminare Strömungen zu erzeugen. Bei den großen Abmessungen typischer Reinräume, den hohen Geschwindigkeiten der Luft und den vielen Hindernissen in einem Betrieb sowie weiteren Störfaktoren wie vor allem Wärmequellen bilden sich jedoch Wirbel, Stau- und Nachlaufgebiete, deren Effekte sich auch noch verstärkend überlagern können. Jede Abweichung vom Optimum gibt freilich Aerosolen Gelegenheit zur Kontamination – sie nutzen Fehler geradezu heimtückisch aus.


Kontamination durch Turbulenzen

Die gewünschte Laminarität entsteht, wenn Luft über ein engmaschiges Gewebe in den Raum eingeblasen und Turbulenz dabei durch Reibung vernichtet wird; ein solcher Laminarisator ist etwa ein Gewebe mit Leinenbindung, bei dem Schuß und Kette aus nur einer Faser bestehen, damit der Luftstrom auf einen gleichmäßigen Widerstand trifft.

Hindernisse wie die Installationen und die Menschen im Raum oder selbst Filterrahmen und Falten im Schwebstoff-Filter können die laminare Strömung wieder in eine turbulente umschlagen lassen. So entstehen Wirbel schon an mehrere Millimeter großen Öffnungen wie in den Lochblechen, die oft zur Abdeckung von Luftdurchlässen dienen.

Wirbel – ob in der Hauptströmung oder in der Grenzschicht zwischen dem Strömungsmedium und einer festen Oberfläche – transportieren Aerosole quer zur Strömungsrichtung. Sie gelangen so zu Wänden, Maschinen, Geräten Personal und von diesen zu den Produkten, wo sie haften bleiben. Aber auch umgekehrt gelangen Partikel aus Oberflächennähe bei turbulenter Anströmung eher in die Umgebung. Beispielsweise geben Menschen Aerosole über die Atemluft ab, die von Wirbeln verteilt werden und sensible Oberflächen verschmutzen können. So finden sich in der Umgebung eines Menschen bei turbulenter Umströmung ungefähr zehnmal höhere Partikelkonzentrationen als bei laminarer (Bild 2); die Produkte werden also zehnfach so stark kontaminiert.

Besondere Bedeutung haben die sogenannten Nachlaufgebiete. In diesem Windschatten umströmter Körper herrscht zwar meist Turbulenz, doch ist der Energie- und Stoffaustausch mit der Hauptströmung gering, wenn diese laminar ist. Deshalb gelangen von außen kaum Aerosole in diese Gebiete hinein; Partikelquellen darinnen, insbesondere wenn sie gleichzeitig Wärme abgeben, können hingegen Schwebeteilchen weit verteilen. Wird etwa eine Person von oben oder schräg von hinten angeströmt, kontaminiert sie – besonders wenn sie ohne Mundschutz arbeitet – mit ausgeatmeten Tröpfchen leicht gerade den Bereich, in dem sie hantiert.

Ein Demonstrationsbeispiel, das stellvertretend für viele Objekte im Reinraum stehen kann, ist ein flaches, längliches Profil, das quer zur Längsachse von oben angeströmt wird. Die sichtbar gemachten Stromlinien zeigen ein ausgeprägtes Nachlaufgebiet (Bild 4 links). Als wir bei laminarer Anströmung eine Partikelquelle unter dem linken Profilende anbrachten, maßen wir noch im Abstand der zehnfachen Profilbreite ein Zehntel der Teilchenkonzentration, und erst in der hundertfachen Entfernung war sie auf ein Tausendstel des Ausgangswertes abgefallen. Horizontale Hindernisse an Wänden erzeugen ähnliche Nachlaufgebiete. Bei turbulenter Strömung (Bild 4 rechts) ist das Staugebiet zwar schmaler, aber viel mehr Partikel geraten in unmittelbare Nähe des Hindernisses, was starke Kontamination bedeutet; auch das Nachlaufgebiet – obwohl kleiner – enthält sehr viel mehr Aerosole, zumal Wirbel sie nicht nur quer, sondern auch entgegengesetzt zur Hauptstromrichtung eintragen.

Außer Flächen und Körpern stört, wie schon angedeutet, die Thermik an Wärmequellen erheblich. Geräte und Anlagen bei der Chip-Fertigung haben Wärmeleistungen in der Größenordnung von einem Kilowatt. Aus Untersuchungen mit Heizplatten weiß man, daß erst bei der recht hohen Geschwindigkeit von 45 Zentimetern pro Sekunde die Luftströmung über solchen Wärmequellen laminar bleibt.


Einfluß der Absaugöffnungen

Großflächige Verdrängungsströmungen – einerlei ob rein laminar oder turbulenzarm – werden auch von ihrem Austritt aus dem Raum beeinflußt. Selbst wenn die Luft an der Raumdecke gleichmäßig verteilt eingeblasen wird, stellt sich nur dann eine vertikale, nicht abgelenkte Raumdurchströmung ein, wenn sie an einem perforierten Doppelboden überall gleichmäßig abgesaugt wird.

Probleme entstehen zum Beispiel, wenn sich die Abluftöffnung an einer Seite des Doppelbodens befindet, so daß ein Teil des Luftstroms nur unter Reibungsverlusten dorthin gelangen kann. Problematisch ist auch, den Reinraum noch mit einer Stellwand zu unterteilen (Bild 5). An der Absaugseite treten bei üblichen Raumabmessungen etwa 160 Prozent des mittleren Volumenstromes in den Doppelboden ein, denn dorthin wird die Luft zunehmend aus der Senkrechten abgelenkt – in der Raummitte tritt sie sogar unter einem Winkel von etwa 45 Grad in den Doppelboden ein. Deshalb bildet sich auch hinter der Stellwand auf der Absaugseite ein Nachlaufgebiet.

Um den Volumenstrom zu egalisieren, kann man beispielsweise durch kleinere Perforierungen im Boden auf der Absaugseite den Eintritt dort behindern. Allerdings wäre dann die Absaugfläche insgesamt kleiner und damit ein höherer Druck erforderlich; damit stiegen aber die Betriebskosten.

Die bessere Lösung sind sogenannte Treibdüsen im Boden. Sie beschleunigen die Luft im Kanal und gleichen damit Reibungsverluste aus. Dieses Prinzip ist in der Klimatechnik erst wenig verbreitet, obwohl es bereits vor drei Jahrzehnten in der Schweiz zur Belüftung von Tunnels entwickelt worden war.


Weiße und graue Zonen

Aus wirtschaftlichen Gründen versorgt man Reinräume häufig nicht vollständig mit Luft höchster Qualität, sondern nur in den kritischen Bereichen, sogenannten Weißzonen. So richtet man die Arbeitstische als "reine Bänke" längs einer Wand ein, während der Gang davor geringeren Anforderungen genügt. Um Luft aus dieser grauen von der weißen Zone fernzuhalten, müssen Nachlaufgebiete unter den Lufteinlässen über den reinen Bänken vermieden werden.

Bei aktuellen Entwicklungen wie der flexiblen automatisierten Wafer-Fertigung im Rahmen des europäischen Programms JESSI (Joint European Submicron Silicon) erzeugt man extreme Reinraumbedingungen nur noch in der direkten Transport- und Bearbeitungsumgebung des Wafers. Weil das Projekt auf hohe Stückzahlen ausgelegt ist, wird mit einem weitgehend geschlossenen Fördersystem gearbeitet.

Ein typisches Beispiel für partielle Verdrängungsströmungen bietet der medizinische Bereich, in dem die Anforderungen an Keimarmut der Luft sehr hoch sind: die Reinraumdecke über dem Operationstisch. Ihre Austrittsfläche ist meist 2 bis 3 Meter lang und 1,20 bis 3 Meter breit. Die Austrittsgeschwindigkeit ist in Deutschland mit 0,15 bis 0,25 Metern pro Sekunde deutlich niedriger als in Reinräumen für die Chip-Fertigung. Höhere Ansprüche stellt man etwa für Knochenoperationen in der Schweiz: Dort werden als Minimalwert weniger als zehn Keime je Kubikmeter Luft gefordert; das läßt sich nur mit stärkeren Verdrängungsströmungen realisieren.

Die deutsche Norm definiert keine Keimkonzentrationen, sondern Verunreinigungsgrade; die höchste Anforderung entspricht etwa 130 Keimen pro Kubikmeter Luft und läßt sich durch Mischströmungen mit – je nach Reinheitsstufe – 2400 oder 3000 Kubikmetern Luft je Stunde erreichen. Da laminare Strömung durch die geringere Vermischung mit Luft aus Grauzonen aber etwa fünfmal sauberer sein kann, wird sie mehr und mehr eingesetzt. Messungen deuten zudem darauf hin, daß in laminaren Strömungen Keime weniger sedimentieren und den Operationsbereich deshalb schwächer kontaminieren. Dieser Befund ist auch für alle anderen Arten von Reinräumen bedeutsam.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 10 / 1994, Seite 104
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