211service.com
Superkritisk koldioxid
Tillverkare av datorchips står inför ett par tuffa utmaningar: den ena miljömässigt, den andra rent teknisk. Varje år suger en typisk fabrik för spåntillverkning upp cirka fyra miljoner liter ultrarent vatten och använder ett hav av giftiga kemikalier för att skrubba och förbereda mikrochips för användning. Samtidigt försöker företag i den hårt konkurrensutsatta branschen att ytterligare krympa transistorer och andra enheter på chips för att fortsätta göra datorer och annan mikroelektronik billigare och snabbare. Lösningen på båda dessa utmaningar kan komma från en osannolik källa: koldioxid.
Koldioxid har länge varit miljöaktivisters nemesis på grund av dess roll i den globala uppvärmningen, men under precis rätt förhållanden - nämligen högt tryck och rätt temperatur - är det ett av naturens bästa och mest miljövänliga lösningsmedel. Koffeinfria kaffeälskare, till exempel, drar nytta av dess förmåga att ta bort koffein från kaffebönor. Under de senaste åren har koldioxid även gjort ett inhopp i kemtvättbranschen, vilket ger ett säkert rengöringsalternativ till kemikalien perkloretylen. Men det är på den högteknologiska fronten som koldioxid kan göra sin största inverkan. Det finns enorma möjligheter, säger University of North Carolina kemist Joseph DeSimone. Jag är övertygad om att koldioxid kommer att dominera flera av nyckelstegen inom mikroelektronik.
Den här historien var en del av vårt januarinummer 2002
- Se resten av frågan
- Prenumerera
Koldioxid skulle kunna ge halvledarindustrin ett mer miljövänligt sätt att skrubba kisel, men det kan också möjliggöra fortsatt miniatyrisering av integrerade kretsar. Och det innebär snabbare och billigare datorer och hemelektronik. Den miljömässiga vinkeln kommer att få [chiptillverkarna] att se bra ut, men de kommer inte bara att göra om på grundval av det, säger Craig Taylor, en forskare med superkritiska vätskor vid Los Alamos National Laboratory i New Mexico. Det som är intressant för industrin är att superkritisk koldioxid kan vara en möjliggörande teknik för att gå till mindre dimensioner.
Forskare har vetat i mer än ett sekel att vid 75 gånger atmosfärstrycket och 31 C går koldioxid in i ett udda tillstånd som kemister kallar superkritiskt. I detta tillstånd blir vätskeformen och gasformerna av koldioxid omöjliga att skilja: de smälter samman till en vätska med ovanliga egenskaper. Bland de märkligaste sjunker vätskans viskositet till nästan ingenting och dess ytspänning går till noll. Den låga viskositeten gör att den flyter ovanligt bra med lågt motstånd, och ytspänningen noll betyder att vätskans yta inte kryper ihop sig vid kanterna och fastnar på sidorna av dess behållare. Nettoresultatet: superkritisk koldioxid kan flöda in i springor och skrymslen så små att andra flytande lösningsmedel kan tugga ihop sig.
Forskare vid Los Alamos, University of North Carolina och på andra håll har undersökt möjligheten att använda superkritisk koldioxid - eller flytande koldioxid som svävar precis under det superkritiska tillståndet - kan låta dem göra funktioner på mikrochips på en oöverträffad upplösningsnivå. I fotolitografi, den grundläggande processen som används vid chiptillverkning, exponeras en fotoresist (ett ljuskänsligt material som täcker kiselchipset) för ljus som skiner genom en mask; den exponerade fotoresisten tvättas sedan bort och lämnar ett mönster på kislet. Befintlig teknik använder vanligtvis en vattenlösning för att tvätta bort fotoresisten. Men strukturerna blir så små att själva vattnets höga ytspänning kan vara skadlig, förklarar DeSimone. Precis som honung hälls över ett korthus kan vattnet kollapsa de ömtåliga kiseldragen. Superkritisk koldioxid kan skölja över strukturerna utan att riva dem.
Koldioxid kan också vara ett sätt att lägga ner de ultratunna koppartrådarna som används i dagens bästa mikrochips. Jim Watkins och kollegor vid University of Massachusetts fann nyligen att de kunde lösa metallföreningar i koldioxid och hälla lösningen i trånga skrymslen och vrår av diken etsade in i kislet för att bilda trådarna. När forskarna lägger till vätgas frigör föreningarna sina metallbelastningar på kiselytorna för att skapa högkvalitativa sammankopplingar som är tunnare än 100 nanometer.
Om koldioxid kan rensa upp spåntillverkningen kan det ge en klassisk win-win-situation för dem som balanserar miljöpåverkan och tillverkningsprestanda i den högteknologiska industrin. Tillverkare kommer att kunna fortsätta att producera chips med de krympande funktioner som behövs för morgondagens allt snabbare datorer. Och de i Silicon Valley kan spara sina vattenförråd för att göra koffeinfria lattes.