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  • 22. November 2011

    Reinraum der Klasse 1 im INA der Uni Kassel – Interview mit Dr. rer. nat. habil. Martin Bartels

    Als eines von wenigen Hochschulinstituten verfügt das Institut für Nanostrukturtechnologie und Analytik (INA) der Universität Kassel über einen Reinraum-Bereich der Klasse 1. Das INA besteht aus den Fachgebieten Technische Elektronik und Technische Physik der Universität Kassel. Gemeinsam betreiben die Arbeitsgruppen 400 Quadratmeter Reinraum. Wir haben nachgefragt.

    Reinraum der Uni Kassel

    Wissenschaftler im Reinraum Klasse 1 INA der Universität Kassel (Foto Uni Kassel)

    Das INA besteht aus den Fachgebieten Technische Elektronik und Technische Physik der Universität Kassel und wird kollegial von zwei Direktoren geleitet. Für den Bereich Technische Elektronik ist Prof. Dr. Hartmut Hillmer zuständig. Prof. Dr. Johann Peter Reithmaier hingegen obliegt der Bereich Technische Physik. Der besonders reine Reinraum der Klasse 1 ist hier am Institut für Nanostrukturtechnologie und Analytik vom übrigen Reinraum nochmals durch eine spezielle Schleuse mit Umkleidebereich und Personenluftdusche getrennt. Zudem beinhaltet der Reinraum der Klasse 1 auch eine sogenannte Ion Beam Sputtering Deposition (IBSD) Anlage der Firma Roth & Rau zur Abscheidung hochreiner Schichten. Im Gespräch mit Dr. rer. nat. habil. Martin Bartels, Wissenschaftlicher Assistent des Direktors des Instituts INA, Technische Elektronik der Universität Kassel.

    Dr. Martin Bartels

    Dr. rer. nat. habil. Martin Bartels, Universität Kassel (Foto: Uni Kassel)

    Herr Dr. Bartels, das INA verfügt über einen Reinraum der Klasse 1. Seit wann gibt es diesen Reinraum und womit befassen sich Wissenschaftler und Nutzer in diesen Raum?

    Der Reinraum Klasse 1 steht dem INA seit 2004 zur Verfügung und ist der einzige Reinraum dieser Klasse an deutschen Universitäten. Das INA befasst sich unter anderem mit der Untersuchung von Nanostrukturen mit dem Schwerpunkt der Entwicklung neuer Funktionalitäten. Im Reinraum Klasse 1 finden speziell Untersuchungen statt, bei denen es auf höchste Oberflächenreinheit und extrem niedrige Partikelanzahl ankommt.

    Wem steht der Reinraum der Klasse 1 – neben der Wissenschaft – zur Verfügung?

    Ebenso wie die weitere Infrastruktur des INA, steht der Reinraum Klasse 1 neben der Wissenschaft z.B. auch der Industrie zur Verfügung. Dabei wird eine Zusammenarbeit im Rahmen von Dienstleistungsaufträgen, Forschungsaufträgen, bilateralen Projekten oder auch innerhalb von gemeinsamen Forschungsprojekten gepflegt.

    Hier im Reinraum der Klasse 1 gibt es auch eine Ion Beam Sputtering Deposition (IBSD) Anlage. Was müssen wir uns darunter vorstellen und was leistet die Anlage?

    Reinraum der Klasse 1 Uni Kassel

    Vorbereitung eines Substrats für die Deposition in der IBSD-Anlage IONSYS 1000 der Firma Roth & Rau AG (Foto: Uni Kassel)

    Eine IBSD-Anlage dient, vereinfacht ausgedrückt, zur Abscheidung dünner Schichten mit Schichtdicken im Bereich von wenigen Nanometern (1 Nanometer ist ein Milliardstel Meter).

    Dazu wird das gewünschte Material auf eine Trägerplatte montiert und dieses Target dann in einer Vakuumkammer mit energiereichen Ar+-Ionen beschossen. Diese schlagen aufgrund ihrer hohen kinetischen Energie Atome/Moleküle des Targetmaterials aus dem Target heraus, welche sich dann auf dem Substrat niederschlagen. Zusätzlich zu den reinen Targetmaterialien können diese innerhalb der Vakuumkammer noch z.B. mit Sauerstoff- oder Stickstoff-Molekülen reagieren und dann als Verbindungsmaterial deponiert werden.

    In der IBSD-Anlage des INA können z.B. Silizium, Molybdän, Aluminium, Zirkonium, Chrom, Titan, Niob, sowie deren entsprechende Verbindungen mit Sauerstoff und Stickstoff und Indium-Zinn-Oxid prozessiert werden. Eine optische Analysefunktion mittels Ellipsometrie erlaubt dabei eine Schichtdickengenauigkeit von etwa 1nm.

    Ein Reinraum der Klasse 1 stellt gemäß ISO-Normen die höchsten Ansprüche an Sauberkeit. In dieser Klasse ist innerhalb eines Volumens von einem Kubikfuß nur 1 Partikel von max. 0,5µ Größe zulässig. Für welche Arbeiten, bzw. Untersuchungen und Analysen sind solche reinsten Bedingungen unerlässlich?

    Wie bereits erwähnt sind die Bedingungen des Reinraums Klasse 1 für die Herstellung von kleinsten Strukturen und die Analytik notwendig, bei denen es auf höchste Oberflächenreinheit und minimale Partikelverunreinigung ankommt. Am INA dient der Reinraum Klasse 1 unter anderem zur Herstellung von Sensoren für die Medizintechnik und Umwelttechnik. Die Größe der verunreinigenden Partikel liegt mehrere Größenordnungen über denen der Nanostrukturen, so dass ein einzelnes Partikel schon zum Ausfall einer Vielzahl von Strukturen bzw. Bauelementen führt. Die Umgebungsbedingungen des Reinraum Klasse 1 ermöglichen somit eine höhere Ausbeute und geringere Fehlerdichte.

    Der Reinraum der Klasse 1 ist an Ihrem Institut nochmals durch eine spezielle Schleuse mit Umkleidebereich und Personenluftdusche getrennt. Warum ist eine solche Schleuse erforderlich?

    Die gesamte Reinraumfläche des INA besteht aus drei verschiedenen Reinheitsbereichen, Klasse 10.000, Klasse 100 und Klasse 1. Betritt ein Mitarbeiter ohne vorherige Reinigung direkt den Bereich des Klasse 1 Reinraums, so führt dies zur Kontamination, d.h. Verunreinigung dieses Reinstbereiches. Mit Hilfe der Schleuse, der Personenluftdusche und der entsprechenden Kleidung kann der Grad der Verunreinigung auf ein Minimum reduziert werden.

    Ist ein solches Schleusensystem vergleichbar mit dem sogenannten Zonenkonzept, bei dem die Verschleppung von Partikeln der jeweiligen schwarzen, grauen und weißen Zonen abgestuft wird?

    Ja, dies ist im Prinzip vergleichbar, vorrangig ist dabei vor allem die Vermeidung einer Verunreinigung des reineren Bereichs beim Übergang/Transfer aus den weniger reinen Bereichen. Je reiner ein Bereich ist, desto größer ist die Luftmenge, welche gereinigt werden muss und desto kostspieliger ist diese Luftaufbereitung. Die Abgrenzung der einzelnen Zonen spart dabei nicht nur direkt Geld, die Wiederherstellung einer Reinheitsklasse nach vorhergehender Verunreinigung ist auch sehr zeitaufwändig, besonders da der Raum währenddessen nicht in der vorgesehenen Weise genutzt werden kann.

    Viele Unternehmen, die sich für Produktionen unter reinraumtechnischen Bedingungen interessieren, tun sich generell etwas schwer mit den Begriffsabgrenzungen Reinraum, Sauberraum, Sauberbereich, Sauberzone. Wie lassen sich die Differenzierungen am ehesten erklären?

    Personen-Luftdusche Uni Kassel

    Personenluftdusche: Übergang aus dem Reinraumbereich Klasse 10.000 in den Reinraumbereich Klasse 1 (Foto: Uni Kassel)

    Zunächst sollte beachtet werden, dass es zwei grundsätzlich verschiedene Arten von Reinräumen gibt. Da sind zum Ersten die keimfreien Reinräume, welche speziell im Bereich der medizinischen, biologischen und pharmazeutischen Forschung eingesetzt werden. Zum Anderen die partikelreduzierten Reinräume, wie sie im Bereich der Technologieentwicklung, u.a. für die Nanotechnologie oder die Nanoelektronik benötigt werden. Der Reinraum ist hierbei der Bereich, der eine möglichst geringe Anzahl von luftgetragenen Partikeln aufweist. Je nach Größe und Anzahl der erlaubten Partikel werden die Räume in die verschiedenen Klassen eingeteilt.
    Sind erst Partikel größer 1µm relevant, spricht man im Allgemeinen von einem Sauberraum. Die Abgrenzung von sogenanten Sauber- und Schmutzbereichen innerhalb eines Reinraums ist eher ungewöhnlich, man unterscheidet zwischen den reinen (weißen) und den weniger reinen (grauen) Zonen, wobei der direkte Luftaustausch zwischen diesen Bereichen vermieden wird.

    Wenn wir in die Zukunft der Aufgabenbereiche an Ihrem Institut schauen: Welche Herausforderungen stellen sich hier mittel- und langfristig?

    Die Entwicklung neuer Funktionalitäten basierend auf Nanostrukturen wird sowohl mittel- wie auch langfristig eine der großen Herausforderungen an unserem Institut sein. Im Vordergrund stehen dabei neben der weiteren Größenreduzierung der Strukturen auch weiterhin die Verwendung kostengünstiger Materialien sowie die Entwicklung von Prozessen, welche sich anschließend mit möglichst geringem Aufwand in die industrielle Fertigung überführen lassen. Ebenso wichtig ist für uns die großflächige Anwendung unserer Prozesse, z.B. im Bereich des Nanoimprint.

    Was wünschen Sie sich als Wissenschaftler in Hinblick auf Forschung und Produktion im Bereich Reinraum und Technische Sauberkeit für die Zukunft?

    Gerade im Hinblick auf immer geringere Dimensionen der Nanostrukturen und damit verbunden auf die notwendige Reinheit im Labor ist es für uns als Wissenschaftler wünschenswert, Reinraumaufbauten zu erstellen, in denen möglichst wenig Austausch zwischen einzelnen Reinheitsgebieten stattfinden muss. In der Industrie erfolgt dies durch die Verkapselung der einzelnen Anlagen, d.h. die höchste Reinheitsklasse herrscht im Gerät selbst. Dieses Prinzip ist in der Wissenschaft jedoch nicht anwendbar, da hier die für den oben genannten Fall erforderlichen stabilen Prozesse und ihre Abläufe zunächst entwickelt werden.

    Das Interview führte Ursula Pidun

    Verweise:

    Reinraumklassen – Herzstück der Standardisierung
    Der „Illig“-Wert
    Mikrotomographie zur Partikelanalyse

    Weitere Interviews:

    Österreichische Reinraumgesellschaft (ÖRRG) – Interview mit Ing. Roman Czech
    LOUNGES 2012 -Interview mit Jennifer Würsching
    CO2-Schneestrahltechnik – Interview mit Dipl.-Ing. Hans-Jörg Wössner
    Technische Sauberkeit -Interview mit Dipl.-Ing. Hans Illig
    Interview mit Dipl.-Ing. Hans Illig (Teil2)
    Reinster Reinraum – Interview mit Dipl.-Biol. Markus Keller
    Zukunft Reinraumbekleidung: INTERVIEW mit Carsten Moschner
    Reinraum: Interview mit DI Jörg Vierhaus
    Reinraumtechnik: Interview mit Dr. Lothar Gail


    Verfasst von Ursula Pidun

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