Na produção de circuitos integrados (chips de computador), a inovação contínua é essencial para permanecermos competitivos. Um dos principais objetivos é aumentar a produtividade das máquinas de fotolitografia, que é parcialmente determinado por seus motores eletromagnéticos. O candidato ao doutorado Bart Koolmees, do departamento de Engenharia Mecânica da TU / e, focada no desenvolvimento de uma alternativa supercondutora para esses motores. Seu trabalho mostrou que tal projeto poderia aumentar a potência do motor em mais de 500%, e também concebeu soluções para alguns dos principais desafios técnicos:o isolamento térmico e a integridade das bobinas supercondutoras. Ele vai defender sua tese em 9 de dezembro.

Em uma máquina de fotolitografia, uma imagem em uma máscara é projetada várias vezes em um wafer com uma camada fotossensível. A imagem não é projetada de uma vez, mas é escaneado com uma pequena fenda de luz, como em uma fotocopiadora. Motores eletromagnéticos precisos são usados ​​para mover a máscara e o wafer de forma síncrona durante a varredura e reversão. O aumento da aceleração dos motores para aumentar a produtividade geralmente é tentado por meio de otimizações no projeto do motor atual. Usando supercondutores, como Koolmees propõe, muda o design significativamente e permite um grande passo em frente.

Os materiais supercondutores de "alta" temperatura (HTS) têm resistência elétrica zero em temperaturas abaixo de 90 K (-183 graus Celsius); a corrente máxima que eles podem conduzir aumenta com a diminuição da temperatura. As densidades de corrente de 100.000 A / mm2 a 600.000 A / mm2 são viáveis ​​na faixa de temperatura de 4 K a 20 K (-269 graus Celsius a -253 graus Celsius) em comparação com 35 A / mm2 no cobre de última geração bobinas do motor em temperatura ambiente. Para um primeiro design de demonstrador, Koolmees propôs substituir uma metade do motor pela alternativa supercondutora para aumentar a força do campo magnético dentro do motor.

Melhoria quíntupla

Como as eficiências para resfriamento a 4 K (-269 graus Celsius) estão na faixa de 0,04% a 0,14%, Koolmees projetou um isolamento térmico altamente eficiente para minimizar o esforço de resfriamento. Este isolamento passaria entre as duas metades do motor; para manter a eficiência do motor, deve ter espessura mínima. Koolmees desenvolveu dois projetos de isolamento com espessura de 5 mm, que mantêm a diferença de temperatura de quase 300 graus enquanto requerem uma capacidade de resfriamento de menos de 1 W para uma área de 1,5 m por 2,5 m. Ele também analisou os suportes e a fixação da bobina supercondutora para perda de calor a uma temperatura de 4K, mostrando uma condução térmica abaixo de 0,5 W. Essas cargas de calor são suficientemente baixas que as disponíveis comercialmente, ciclo fechado, refrigeradores seriam suficientes para removê-los.

As bobinas supercondutoras projetadas para a aplicação do motor experimentam altas cargas mecânicas, e é importante entender se a falha mecânica pode ser evitada. Koolmees realizou uma análise aprofundada para calcular as cargas mecânicas para os principais casos de carga. Isso mostrou que a falha das bobinas supercondutoras pode ser evitada com os métodos de fabricação corretos.

A pesquisa de Koolmees mostrou que uma placa magnética supercondutora pode fornecer uma melhoria de mais de 5 vezes na força do campo magnético em comparação aos motores eletromagnéticos de última geração. Adicionalmente, suas soluções para os principais desafios técnicos tornam a viabilidade de tal placa magnética muito provável.