211service.com
Superkritisch kooldioxide
Fabrikanten van computerchips staan voor een aantal moeilijke uitdagingen: de ene op milieugebied, de andere puur technisch. Elk jaar zuigt een typische chipfabriek ongeveer vier miljoen gallons ultrapuur water op en gebruikt een oceaan van giftige chemicaliën om microchips te schrobben en klaar te maken voor gebruik. Tegelijkertijd proberen bedrijven in de zeer competitieve industrie transistors en andere apparaten op chips verder te verkleinen om computers en andere micro-elektronica goedkoper en sneller te blijven maken. De oplossing voor beide uitdagingen kan afkomstig zijn van een onwaarschijnlijke bron: koolstofdioxide.
Kooldioxide is al lang de aartsvijand van milieuactivisten vanwege zijn rol in de opwarming van de aarde, maar onder precies de juiste omstandigheden, namelijk hoge druk en de juiste temperatuur, is het een van de beste en meest milieuvriendelijke oplosmiddelen van de natuur. Liefhebbers van cafeïnevrije koffie profiteren bijvoorbeeld van het vermogen om cafeïne uit koffiebonen te verwijderen. De laatste jaren heeft kooldioxide ook zijn intrede gedaan in de stomerij-industrie, wat een veilig reinigingsalternatief biedt voor het chemische perchloorethyleen. Maar het is op het hightech-front dat koolstofdioxide de grootste impact kan hebben. Er zijn enorme kansen, zegt chemicus Joseph DeSimone van de University of North Carolina. Ik ben ervan overtuigd dat koolstofdioxide een aantal van de belangrijkste stappen in de micro-elektronica zal domineren.
Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van januari 2002
- Zie de rest van het nummer
- Abonneren
Kooldioxide zou de halfgeleiderindustrie een milieuvriendelijkere manier kunnen bieden om silicium te wassen, maar het zou ook de voortgaande miniaturisering van geïntegreerde schakelingen mogelijk maken. En dat betekent snellere en goedkopere computers en consumentenelektronica. De omgevingshoek zorgt ervoor dat [chipmakers] er goed uitzien, maar ze zullen niet alleen op basis daarvan opnieuw worden ingericht, zegt Craig Taylor, een onderzoeker naar superkritische vloeistoffen bij Los Alamos National Laboratory in New Mexico. Wat interessant is voor de industrie, is dat superkritische koolstofdioxide een technologie kan zijn om naar kleinere afmetingen te gaan.
Wetenschappers weten al meer dan een eeuw dat koolstofdioxide bij 75 keer de atmosferische druk en 31 ° C in een vreemde toestand komt die chemici superkritisch noemen. In deze toestand worden de vloeibare en de gasvormen van kooldioxide niet van elkaar te onderscheiden: ze versmelten tot één vloeistof met ongebruikelijke eigenschappen. Een van de vreemdste is dat de viscositeit van de vloeistof tot bijna niets daalt en de oppervlaktespanning naar nul gaat. De lage viscositeit betekent dat het ongewoon goed vloeit met een lage weerstand, en de nul-oppervlaktespanning betekent dat het oppervlak van de vloeistof niet opkrult aan de randen en aan de zijkanten van de container blijft kleven. Het netto resultaat: superkritisch kooldioxide kan in spleten en hoekjes stromen die zo klein zijn dat andere vloeibare oplosmiddelen zouden ophopen.
Onderzoekers van Los Alamos, de Universiteit van North Carolina en elders hebben de mogelijkheid onderzocht dat het gebruik van superkritisch kooldioxide - of vloeibaar kooldioxide dat net onder de superkritische toestand zweeft - hen in staat zou kunnen stellen om functies op microchips te maken met een ongekend resolutieniveau. Bij fotolithografie, het fundamentele proces dat wordt gebruikt bij het maken van chips, wordt een fotoresist (een lichtgevoelig materiaal dat de siliciumchip bedekt) blootgesteld aan licht dat door een masker schijnt; de belichte fotoresist wordt vervolgens afgewassen, waardoor een patroon op het silicium achterblijft. Bestaande technologie gebruikt typisch een wateroplossing om de fotoresist weg te spoelen. Maar de structuren worden zo klein dat de hoge oppervlaktespanning van het water zelf schadelijk kan zijn, legt DeSimone uit. Net als honing die over een kaartenhuis wordt gegoten, kan het water de delicate siliconenkenmerken doen instorten. Superkritisch kooldioxide kan over de structuren spoelen zonder ze te slopen.
Kooldioxide zou ook een manier kunnen zijn om de ultradunne koperdraden te leggen die in de beste microchips van vandaag worden gebruikt. Jim Watkins en collega's van de Universiteit van Massachusetts ontdekten onlangs dat ze metaalverbindingen in koolstofdioxide konden oplossen en de oplossing in de nauwe hoeken en gaten van greppels konden gieten die in het silicium waren geëtst om de draden te vormen. Wanneer de onderzoekers waterstofgas toevoegen, laten de verbindingen hun metaalladingen vrij op de siliciumoppervlakken om hoogwaardige verbindingen te maken die dunner zijn dan 100 nanometer.
Als koolstofdioxide de chipproductie kan opruimen, zou dit een klassieke win-winsituatie kunnen bieden voor diegenen die een balans vinden tussen milieu-impact en productieprestaties in de hightech-industrie. Fabrikanten zullen chips kunnen blijven produceren met de krimpende functies die nodig zijn voor de steeds snellere computers van morgen. En degenen in Silicon Valley kunnen hun watervoorraden sparen voor het maken van cafeïnevrije lattes.