Clean room

Чистые помещения (clean room)

Чистыми помещениями или комнатами (перевод с англ. - clean room) называются помещения — как правило, используемые на производстве или при научных исследованиях — в которых поддерживается пониженный уровень таких загрязнителей окружающей среды, как пыль, взвешенные в воздухе микробы, аэрозольные частицы и пары химических веществ. Точнее, контролируемый уровень загрязнения чистых помещений определяется числом частиц указанного размера в кубическом метре воздуха. Для примера, уличный воздух в типичной городской среде содержит порядка 35 000 000 частиц размером от 0,5 мкм и больше в диаметре на кубический метр, что соответствует категории ISO 9 для чистых помещений. В то же время, наиболее строгий стандарт для чистых помещений ISO 1 не допускает присутствия в воздухе ни одной частицы размером свыше 0,5 мкм, и только 12 частиц размером 0,3 мкм и меньше на кубический метр.

Чистые помещения, используемые для производства микросистем.
Желтый цвет освещения необходим при фотолитографии для предотвращения
нежелательного воздействия света более коротких длин волн на фоторезист

Вид на чистое помещение снаружи

Вход в чистое помещение без обдувочного шлюза

Чистое помещение для производства микроэлектроники с модулями вентиляторов
с фильтром, установленными в потолочной решётке

Чистая кабина для прецизионных измерительных инструментов

История

Чистые помещения современной конструкции были изобретены американским физиком Уиллисом Уитфилдом. Будучи сотрудником Сандийской национальной лаборатории, Уитфилд создал первоначальную планировку чистых помещений в 1960 году. До изобретения Уитфилда в чистых помещениях нередко возникали проблемы с частицами и непредсказуемые воздушные потоки. Чистое помещение разработки Уитфилда отличалось от своих предшественников постоянной высокой степенью фильтрации воздушного потока, позволявшей эффективно избавляться от взвешенных загрязнений. В течение всего лишь нескольких лет после изобретения современных чистых помещений Уитфилда, их было сооружено на сумму более 50 миллиардов долларов по всему миру.

 Обзор

Чистые комнаты могут быть очень большими. В чистом помещении могут целиком находиться производственные мощности, охватывающие несколько заводских этажей площадью порядка нескольких тысяч квадратных метров. Чистые помещения широко используются в производстве полупроводников, биотехнологиях, фармокологии, атомной промышленности, а также в различных исследованиях с повышенной чувствительностью к загрязнению рабочей среды. Воздух, поступающий в чистые помещения извне, фильтруется для удаления из него пыли, а находящийся внутри них воздух постоянно циркулирует через высокоэффективные фильтры для очистки воздуха от взвешенных частиц (HEPA) и/или воздушные фильтры с ультра-низким уровнем проникновения (ULPA), удаляющие загрязнители, которые образуются внутри помещений. Персонал входит в помещения и выходит из них через шлюзы (иногда со встроенным обдуванием воздухом) и носит такую защитную одежду, как капюшоны, маски для лица, перчатки, сапоги и комбинезоны. Оборудование внутри чистых помещений специально разрабатывается для поддержания минимального загрязнения воздуха. Для уборки используются только специальные швабры и ведра. Предметы мебели для чистых помещений также создают минимальное число частиц и отличаются лёгкостью очистки. В чистых помещениях часто запрещается использовать такие распространённые материалы, как бумага, карандаши и ткани из натуральных волокон — вместо них используются альтернативные материалы. Чистые помещения не являются стерильными (то есть, с полным отсутствием неконтролируемых микробов), и только взвешенные в воздухе частицы находятся под контролем. Уровни содержания частиц определённого размера, как правило, проверяются при помощи счётчика частиц. 

Для подключения контуров с водой, воздухом и различными химическими жидкостями используются быстроразъёмные соединения с возможностью очистки на месте - CIP (Cleaning In Place) или стерилизации на месте - SIP (Sanitisation In Place). Отборы проб осуществляется с помощью специальных пробоотборников.

В некоторых из чистых помещений поддерживается избыточное давление с тем, чтобы вероятные утечки воздуха происходили из помещения наружу, вместо попадания неотфильтрованного воздуха извне. Некоторые системы вентиляции и кондиционирования для чистых помещений поддерживают в них низкий уровень влажности. При этом становится необходимым использовать дополнительное оборудование (т.н. «ионизаторы») для предотвращения проблем с электростатическими разрядами (ESD). Для работы в чистых помещениях с особенно низким уровнем загрязнений может требоваться использование исключительно специальной обуви с совершенно гладкой подошвой, на которой не задерживается пыль и грязь. Тем не менее, по соображениям безопасности, такие подошвы не должны приводить к опасности поскользнуться. Доступ в чистые комнаты, как правило, разрешается только персоналу, носящему специальные защитные костюмы для чистых помещений. Защитные костюмы комлектуются переносными установками выработки воздуха пригодного дыхания или могут подключаться с помощью шланга к стационарным постам. Для быстрого и безопасного подключения контуров к установкам регенерации воздуха пригодного для дыхания используется специально разработанные серии быстроразъемов.

Вход в чистые помещения, стандарты чистоты воздуха в которых являются менее строгими, может не оборудоваться шлюзами с воздушным обдуванием. При чистых помещениях существуют специальные вестибюли (известные под названием «серых комнат»), в которых персонал переодевается в спецодежду и из которых он попадает непосредственно в помещение. На некоторых производствах не существует чистых помещений с чёткой классификацией, однако используются некоторые из обычных практик работы в чистых помещениях для удовлетворения собственных требований к уровням загрязнения. 

Структура воздушного потока 

Воздух в чистых помещениях поддерживается свободным от частиц за счёт использования HEPA- или ULPA-фильтров в сочетании с принципами ламинарного или турбулентного воздушного потока. Ламинарные, или однонаправленные, воздушные системы нагнетают отфильтрованный воздух постоянным потоком сверху вниз в направлении фильтров, расположенных на стенах вблизи пола помещения, или приподнятых перфорированных панелей на полу для последующей его рециркуляции. Ламинарные воздушные системы, как правило, используются на части потолка чистого помещения, занимающей около 80 процентов его площади, с целью поддержания постоянной обработки воздуха. Фильтры и колпаки для создания ламинарного потока воздуха изготавливаются из нержавеющей стали или других материалов, неразделимых с лёгкостью на отдельные частицы — это предотвращает поступление в воздух чрезмерного их количества. Для создания турбулентных, или неоднонаправленных, воздушных потоков используются как ламинарные колпаки, так и фильтры, работающие при различной скорости воздуха. Благодаря таким потокам, воздух в чистых помещениях поддерживается в постоянном движении с переменным направлением. Турбулентные потоки стремятся «поймать» частицы, которые могут находиться в воздухе, и направить их к полу, где они попадают в фильтры и покидают рабочую среду чистой комнаты.

Структура воздушных потоков в «турбулентном чистом помещении»

Структура воздушных потоков в
чистом помещении с ламинарным течением воздуха

Классификация чистых помещений

Чистые помещения классифицируются в зависимости от количества частиц заданного размера, допустимого в определённом объеме воздуха. Названия с большими числами, такие, как «категория 100» или «категория 1000», относятся к стандарту FED-STD-209E и означают допустимое число частиц размером от 0,5 мкм и больше в кубическом футе воздуха. Данный стандарт также позволяет выполнять интерполяцию: например, можно описать «категорию 2000».  Категории, обозначаемые небольшими числами, относятся к стандартам ISO 14644-1. Такие числа означают десятичный логарифм допустимого числа частиц размером 0,1 мкм или больше в кубическом метре воздуха. Так, например, в чистых помещениях категории ISO 5 не должно содержаться более 10⁵ = 100 000 частиц на кубический метр.  

Оба упомянутых стандарта (FS 209E и ISO 14644-1) предполагают логарифмическую зависимость между размером частиц и их концентрацией. По данной причине считается, что нулевой концентрации частиц не существует. Пустые ячейки таблиц ниже представляют собой неиспользуемые комбинации размеров частиц и категорий чистоты помещений, и не должны пониматься как нулевые значения. Поскольку 1 м³ приблизительно равняется 35 кубическим футам, оба стандарта практически равносильны в том, что касается измерения числа частиц размером 0,5 мкм, однако стандарты тестирования отличаются. Обычный комнатный воздух может быть отнесён примерно к категории 1 000 000, или ISO 9.  

Стандарт US FED STD 209E чистоты воздуха в чистых помещениях

 Стандарт US FED STD 209E был официально отменён Управлением служб общего назначения Министерства торговли США 29 ноября 2001 года, однако до сих пор повсеместно используется. 

Стандарт BS 5295 чистоты воздуха в чистых помещениях  

Категория 1 по стандарту BS 5295 требует, чтобы размер частиц, присутствующих в любой пробе воздуха, не превышал 5 мкм.

 Европейская классификация согласно нормативам организации производства и контроля качества лекарственных средств (GMP)

Стандарты ISO 14644-1 чистоты воздуха в чистых помещениях