211service.com
Dwutlenek węgla w stanie nadkrytycznym
Producenci chipów komputerowych stoją przed kilkoma trudnymi wyzwaniami: jednym środowiskowym, drugim czysto technicznym. Każdego roku typowy zakład produkujący chipy wysysa około czterech milionów galonów ultraczystej wody i wykorzystuje ocean toksycznych chemikaliów do szorowania i przygotowywania mikrochipów do użytku. Jednocześnie firmy z wysoce konkurencyjnej branży próbują dalej zmniejszać tranzystory i inne urządzenia w chipach, aby nadal sprawiać, że komputery i inna mikroelektronika są tańsze i szybsze. Rozwiązanie obu tych wyzwań może pochodzić z mało prawdopodobnego źródła: dwutlenku węgla.
Dwutlenek węgla od dawna jest nemezis ekologów ze względu na swoją rolę w globalnym ociepleniu, ale w odpowiednich warunkach – mianowicie pod wysokim ciśnieniem i we właściwej temperaturze – jest jednym z najlepszych i najbardziej przyjaznych dla środowiska rozpuszczalników. Na przykład miłośnicy kawy bezkofeinowej czerpią korzyści z jej zdolności do usuwania kofeiny z ziaren kawy. W ciągu ostatnich kilku lat dwutlenek węgla wdarł się również do branży pralni chemicznych, zapewniając bezpieczną alternatywę czyszczenia dla chemicznego perchloroetylenu. Ale to właśnie na froncie zaawansowanych technologii dwutlenek węgla może mieć największy wpływ. Istnieją ogromne możliwości, mówi Joseph DeSimone, chemik z University of North Carolina. Jestem przekonany, że dwutlenek węgla zdominuje kilka kluczowych etapów mikroelektroniki.
Ta historia była częścią naszego wydania ze stycznia 2002 r.
- Zobacz resztę numeru
- Subskrybuj
Dwutlenek węgla może zapewnić przemysłowi półprzewodnikowemu bardziej przyjazny dla środowiska sposób usuwania krzemu, ale może również umożliwić dalszą miniaturyzację układów scalonych. A to oznacza szybsze i tańsze komputery i elektronikę użytkową. Kąt środowiskowy sprawi, że [twórcy chipów] będą wyglądać dobrze, ale nie zamierzają zmieniać narzędzi tylko na tej podstawie, mówi Craig Taylor, badacz płynów nadkrytycznych w Los Alamos National Laboratory w Nowym Meksyku. Dla przemysłu interesujące jest to, że dwutlenek węgla w stanie nadkrytycznym może być technologią umożliwiającą przechodzenie do mniejszych wymiarów.
Naukowcy wiedzą od ponad wieku, że przy 75-krotnym ciśnieniu atmosferycznym i 31°C dwutlenek węgla przechodzi w dziwny stan, który chemicy nazywają nadkrytycznym. W tym stanie ciekłe i gazowe formy dwutlenku węgla stają się nie do odróżnienia: łączą się w jeden płyn o niezwykłych właściwościach. Wśród najdziwniejszych lepkość płynu spada prawie do zera, a jego napięcie powierzchniowe spada do zera. Niska lepkość oznacza, że płyn niezwykle dobrze płynie i ma niski opór, a zerowe napięcie powierzchniowe oznacza, że powierzchnia płynu nie zwija się na krawędziach i nie przykleja do boków pojemnika. Wynik netto: dwutlenek węgla w stanie nadkrytycznym może przedostawać się do szczelin i zakamarków tak małych, że inne ciekłe rozpuszczalniki mogą się zakleić.
Naukowcy z Los Alamos, University of North Carolina i innych miejsc badali możliwość, że użycie dwutlenku węgla w stanie nadkrytycznym – lub ciekłego dwutlenku węgla unoszącego się tuż poniżej stanu nadkrytycznego – może pozwolić im na wykonywanie funkcji na mikroukładach z niespotykanym dotąd poziomem rozdzielczości. W fotolitografii, podstawowym procesie stosowanym w produkcji chipów, fotorezyst (światłoczuły materiał pokrywający chip krzemowy) jest wystawiany na działanie światła przepuszczanego przez maskę; odsłonięty fotorezyst jest następnie zmywany, pozostawiając wzór na silikonie. Istniejąca technologia zazwyczaj wykorzystuje roztwór wodny do zmywania fotorezystu. Jednak struktury stają się tak małe, że wysokie napięcie powierzchniowe samej wody może być szkodliwe, wyjaśnia DeSimone. Tak jak miód wylany na domek z kart, woda może załamać delikatne krzemowe rysy. Dwutlenek węgla w stanie nadkrytycznym może zmywać konstrukcje bez ich niszczenia.
Dwutlenek węgla może również zapewnić sposób na ułożenie ultracienkich drutów miedzianych używanych w dzisiejszych najlepszych mikrochipach. Jim Watkins i jego koledzy z University of Massachusetts odkryli niedawno, że mogą rozpuszczać związki metaliczne w dwutlenku węgla i wlewać roztwór do ciasnych zakamarków rowów wyrytych w krzemie, aby uformować przewody. Kiedy naukowcy dodają gazowy wodór, związki uwalniają ładunki metali na powierzchniach krzemu, tworząc wysokiej jakości połączenia cieńsze niż 100 nanometrów.
Jeśli dwutlenek węgla może oczyścić produkcję chipów, może stanowić klasyczną sytuację, w której wszyscy wygrywają, dla tych, którzy równoważą wpływ na środowisko i wydajność produkcji w branży zaawansowanych technologii. Producenci będą mogli nadal produkować chipy z coraz mniejszymi funkcjami potrzebnymi do coraz szybszych komputerów jutra. A mieszkańcy Doliny Krzemowej mogą oszczędzać wodę na bezkofeinową latte.