Центр нанотехнологий Бирк

Центр нанотехнологий Бирк является крупным университетским исследовательским центром, он расположен в парке Дискавери на территории студенческого городка Университета Пардью в Уэст-Лафайетт, штат Индиана. Общее здание площадью 26 579 м² (286 000 кв. футов) было специально спроектировано для проведения междисциплинарных научных исследований в области нанотехнологий и имеет помещения чистых комнат и лабораторий, изначально предназначенных для работы специализированного оборудования, необходимого для этих исследований. Планирование строительства этого центра началось в 2001 году, а годом окончательного завершения строительства принято

Рис. 8.1. Центр нанотехнологий Бирк расположен в парке Дискавери на территории студенческого городка Университета Пардью. Хотя центр является частью основного кампуса, его корпуса в первую очередь являются междисциплинарными, так как не принадлежат отдельным факультетам

считать 2006 год. Построение здания центра и устанавливаемые операционные системы после первых лет эксплуатации подверглись изменениям.

Одним из основных факторов, которые учитывают при рассмотрении конструкции здания, является безопасность. Помимо соображений безопасности людей, работающих в этом центре, необходимо было учесть и защиту его посетителей, в том числе школьных групп и жителей близрасположенных территорий, участвующих в проводимых в центре экскурсиях. Также следовало учесть и то, что здание расположено в непосредственной близости от комплекса, состоящего из студенческого общежития и двух детских дошкольных учреждений (рис. 8.1).

В отличие от традиционных структур, в которых каждому факультету отведена собственная территория и строения, где в основном расположены учебные аудитории и лаборатории, этот центр не относится ни к одному факультету. В нем функционируют 35 школ и факультетов, от лесного до электротехнического и факультета вычислительной техники. Учебных аудиторий в этом здании нет.

Пользователей центра можно разделить на два класса: резидентов и нерезидентов. Возможностями центра пользуются около 200 резидентов студентов и постдоков, которые там работают. Кроме того, в центре проводят исследования ~ 50 нерезидентов, которые периодически пользуются его возможностями. У 50 преподавателей расположены либо основные, либо дополнительные служебные кабинеты. Разный опыт и уровень знаний у преподавателей и студентов порождают дополнительные трудности для обеспечения их безопасности и состояния окружающей среды. Эксплуатацией здания занимается инженернотехнический персонал из 25 человек. В центре работают еще 11 человек: в бизнес-офисе и на секретарских позициях.

Подготовка служащих в области безопасности проводится с учетом особенностей разных людей, работающих в центре, постоянно или периодически его посещающих. Резиденты центра, которые не пользуются чистыми комнатами и лабораториями (теоретики-исследователи, секретари, служащие бизнес-офисов и представители аналогичных групп), получают базовую подготовку по безопасной работе с материалами, используемыми в лабораториях, с системами сигнализации и по действиям при возникновении чрезвычайных ситуаций. Специалисты, пользующиеся лабораториями и/или чистыми комнатами (и резиденты, и нерезиденты), проходят более интенсивную подготовку, которая осуществляется с учетом особенностей той части центра, в которой они работают большую часть времени. Например, для пользователей лабораторий разработана таблица обучения. В этой таблице в первом столбце указывается номер лаборатории, а в первой строке — необходимый курс обучения для работы в ней. Поставленный на пересечении знак «х» указывает, что прежде чем пользователь получит доступ в конкретную лабораторию, он должен пройти соответствующее обучение. Например, если в лаборатории применяется лазер класса ЗВ или выше, человек должен пройти курс обучения работы с лазерами. Если в лаборатории установлен вытяжной шкаф для работы с кислотами или растворителями, нужно пройти обучение по работе с таким шкафом. После завершения необходимой подготовки активизируется идентификационная карта пользователя, предоставляющая ему доступ в соответствующую лабораторию.

Курсы специализированной подготовки были разработаны и для обслуживающего персонала, работающего на объекте, работников аварийно-спасательных служб, включая противопожарную и полицию, фельдшеров скорой помощи, а также внешних подрядчиков. В каждой учебной программе есть пункт, указывающий срок действия курса (и следовательно, период доступа) и повторные курсы. Кроме того, ежегодно проводится общее собрание всего персонала по вопросам безопасности и выполнения операций с обязательным присутствием всех.

Центр состоит из двух разных частей. Офисно-лабораторный корпус относится к категории В. Ее присваивают офисам, конференц-залам и лабораториям. Лаборатории спроектированы специально для указанного типа исследований: как биологические лаборатории (BSL-1 и BSL-2+), лаборатории осаждения/ эпитаксии, лаборатории лазерного оборудования/нанофотоники, поверхностно-аналитические лаборатории, электронно-микроскопические лаборатории и т. д. Поэтому подготовка по работе в каждой из них имеет свои особенности.

Лаборатория BNC категории «чистая комната», которая называется Scifres Nanofabrication Laboratory, площадью примерно 2600 м² (25 000 кв. футов) со-

¹

Рис. 8.2. Разнообразие направлений исследований в ВЫС порождает особые проблемы, связанные с промышленной безопасностью, охраной труда и окружающей средой

стоит из чистого помещения для производства материалов, соединенного с чистой комнатой фармацевтического класса площадью 260 м² (2500 кв. футов). Устройства перемещения позволяют передавать материалы между чистыми помещениями, не нарушая требований протокола чистоты. Однако персонал должен выйти из одной чистой комнаты и перед входом в другую чистую комнату переодеться в соответствующую для нее одежду². Эта часть центра имеет категорию Н.

Категория В свидетельствует о меньшем количестве химических веществ, которые могут присутствовать в лабораторной зоне; эта категория намного менее строгая, чем категория Н для чистых комнат. Такая классификация значительно снизила затраты на проектирование и строительство и в то же время обеспечила сокращение рабочих химических веществ, что в свою очередь повысило безопасность зон, отведенных под лаборатории.

Значительной сложностью, связанной с ЕН8, является разнообразие проводимых исследований. Если многие нанотехнологические организации проводят исследования только в двух или трех основных направлениях, в ВИС работают по восьми направлениям (рис. 8.2).

В рамках этих направлений выполняется широкий спектр научно-исследовательских работ. Исследования в наноэлектронике включают разработку прозрачных интегральных микросхем и транзисторов, изготовленных на графено- вых слоях. Исследования в области наноэлектромеханических систем (ЫЕМЭ) варьируются от разработки имплантируемых биомедицинских устройств до датчиков, которые устанавливаются в реактивных двигателях для измерения температуры подшипников. Работы в сфере нанофотоники включают разработку метаматериалов, т. е. материалов, не встречающихся в природе, которые имеют отрицательные показатели преломления, благодаря чему такие объекты фактически могут стать невидимыми. Также ведутся и фундаментальные исследования механизмов осаждения и роста кристаллов, позволяющие варьировать эти процессы и создавать с их помощью новые материалы.

Лабораторная зона BNC площадью 1950 м² (21 000 кв. футов) организована в виде лабораторных модулей из ячеек размером 11 х 22 фута (примерно 3,3 х 6,6 м). В четырех крыльях этой зоны имеется 88 модулей. Каждая лаборатория состоит из одного или нескольких модулей. Площадь самой крупной лаборатории соответствует семи лабораторным модулям. Элементы коммунальных услуг идут вдоль наружных стен лабораторий; у лабораторий, состоящих из нескольких модулей, имеются общие центры услуг, каждые длиной 11 футов (примерно 3,3 м). В каждом крыле имеются два ряда лабораторий с общей структурой обеспечения коммунальных услуг. Эти структуры объединяют все коммунальные услуги, необходимые для лабораторий. Там же установлены вакуумные насосы, охладители и другое оборудование, которое при установке непосредственно в лаборатории привело бы к вибрациям, электромагнитным помехам (EMI) или акустическому шуму (рис. 8.3).

Зона чистых комнат состоит из трех уровней: платформы, расположенной на высоте около 4,5 метров и отделенной от воздуховода, уровня чистой комнаты, а также участка обработки воздуха, включающего блок его подачи и манипуляторы рециркуляции воздуха (рис. 8.4).

Рис. 8.3. Трехмодульная лаборатория в Центре нанотехнологий Бирк. Конструкция из нескольких модулей позволяет пользователям заниматься похожими проектами, что повышает потенциал совместных исследований

Рис. 8.4. Схема чистой комнаты. Платформа расположена выше других элементов, сама чистая комната — на втором уровне, участок обработки воздуха — на третьем уровне

Платформа предназначена для разводки системы коммунальных услуг, которая находится на уровне основания чистой комнаты и расположена непосредственно под ней. Использование платформы позволяет установить вспомогательное оборудование, необходимое для работы, например вакуумные насосы и охладители, вне воздухопровода, идущего через чистое помещение, а также выделить место для распределения инертных газов. Главное преимущество такой платформы — простота модификации систем коммунальных услуг. Все нужные изменения можно осуществить в пределах этой платформы, скажем, провести новые разводки до тех мест в полу чистого помещения, где они необходимы. Это снижает стоимость модификации систем коммунальных услуг и повышает гибкость участка (рис. 8.5).

Если рассматривать платформу с точки зрения промышленной безопасности, охраны труда и окружающей среды, это очень полезный конструкционный элемент. Доступ к нему ограничен и предоставляется только самым высококвалифицированным специалистам центра, инженерам и техникам по эксплуатации, что создает физический барьер, не позволяющий заниматься ее «модернизацией» менее обученному персоналу.

На уровне чистого помещения над потолком проходят короба для распределения воздуха, на которых установлены фильтры сверхтонкой очистки (иЬРА). В помещении установлен перфорированный пол, приподнятый над платформой примерно на 60 см. Фильтры иЬРА обеспечивают 99,999% эффективность очистки воздуха от частиц размером 100 нм, для сравнения, у фильтров НЕРА этот показатель для частиц размером 180 нм составляет 99,97%. Фильтры

Рис. 8.5. Платформа расположена непосредственно под чистой комнатой ВЫС. В ней предусмотрено место для установки вспомогательного оборудования, а также проводится разводка системы коммунальых услуг. Эта часть не входит в систему воздуховода чистой комнаты

Рис. 8.6. В чистой комнате В1МС установлены перегородки и вытяжные шкафы для кислот и растворителей. Использование перегородок при монтаже оборудования позволяет разделить операционную часть оборудования (на фото) и сторону обслуживания, доступ к которой осуществляется от оконечной части комнаты

ULPA обычно используются в помещениях с чистотой уровня ниже 4 класса ISO (в прошлом 10 класса).

Внутри чистой комнаты применяется конструктивный вариант с выделением входной ниши и оконечной части. Воздух поступает с потолка в ниши и возвращается через оконечные части. Оборудование разделено перегородками, встроенными в стену оконечной части. Доступ к операционной стороне оборудования осуществляется из чистой комнаты, доступ к стороне обслуживания оборудования — от оконечной части чистого помещения (рис. 8.6).

45% чистых помещений функционируют в варианте 3 класса ISO (в прошлом известного как класс 1), 40% — 4 класса ISO, и 15% — 5 класса ISO. Уровень вибрации в чистом помещении находится в пределах уровня А, установленного NIST, а это очень низкий уровень для чистых комнат, расположенных на втором этаже.