Superkritisch kooldioxide als 'dry-cleaner' van wafers

Fabrikanten van computerchips staan voor een paar zware uitdagingen, stelt Technology review: een schoner milieu en betere productietechnieken. Jaarlijks verbruikt een gemiddelde chipfabriek 15 miljoen liter zuiver water en grote hoeveelheden toxische chemicaliën, ter reiniging en behandeling van microchips. Zo clean als het imago van de chipproductie met in ruimtepakken gehulde mannetjes soms overkomt, is deze dus niet. Tegelijkertijd zoekt men naar wegen om transistors en andere componenten van chips, kleiner te maken, voor goedkopere en snellere producten in deze hevig beconcurreerde markt. Letterlijk en figuurlijk een mogelijke oplossing voor beide problemen, is superkritisch kooldioxide. Vorig jaar berichtten we hier al over, maar we vonden het interessant genoeg om ook het artikel van Technology Review te behandelen.

Kooldioxide vormt onder de juiste omstandigheden een goed en milieuvriendelijk oplosmiddel. Het wordt ondermeer toegepast voor het onttrekken van caffeïne aan koffiebonen (caffeïnevrije koffie) en als reinigingsmiddel in stomerijen (dry-cleaning) - ter vervanging van het onvriendelijke perchloorethyleen (Per). Chemici zijn er van overtuigd dat kooldioxide ook een belangrijke rol kan gaan spelen bij toekomstige ontwikkelingen in de micro-elektronika.

Ruim een eeuw is het wetenschappers al bekend, dat bij een temperatuur van 31 graden Celsius en onder een druk van 75 atmosfeer, kooldioxide overgaat in een staat die men 'superkritisch' noemt. Superkritisch kooldioxide is een mengvorm van vloeibaar en gasvormig kooldioxide en gedraagt zich als een vloeistof met bijzondere eigenschappen: de viscositeit wordt nihil en de oppervlaktespanning daalt naar nul. Dit betekent dat het makkelijk in zeer kleine gaatjes en hoekjes kan komen. Anders gezegd: superkritisch kooldioxide kruipt waar andere vloeistof niet gaan kan.

Als kooldioxide kan worden toegepast in de fabrikage van chips, levert dat een klassieke win-win situatie op, volgens de onderzoekers: zowel milieu als chipindustrie hebben er baat bij. Kooldioxide is vriendelijker dan andere reinigingsstoffen en men zou het kunnen terugwinnen uit afvalgassen van fabrieken, zodat de gevolgen voor het broeikaseffect beperkter blijven. Daarnaast kan er enorm op het verbruik van zuiver water bespaard worden. Maar waar de fabrikanten ook belangstelling voor zullen hebben, is de mogelijkheid om naar kleinere procédés te kunnen gaan:

Researchers at Los Alamos, the University of North Carolina and elsewhere have been exploring the possibility that using supercritical carbon dioxide - or liquid carbon dioxide hovering just below the supercritical state - could let them make features on microchips at an unprecedented level of resolution. In photolithography, the fundamental process used in chip making, a photoresist (a light-sensitive material that covers the silicon chip) is exposed to light shined through a 'mask'; the exposed photoresist is then washed off, leaving a pattern on the silicon. Existing technology typically uses a water solution to wash away the photoresist. But the structures are getting so small that the high surface tension of the water itself can be damaging, explains DeSimone. Just like honey poured over a house of cards, the water can collapse the delicate silicon features. Supercritical carbon dioxide can wash over the structures without demolishing them.

Carbon dioxide could also provide a way of laying down the ultrathin copper wires used in today's best microchips. Jim Watkins and colleagues at the University of Massachusetts recently found they could dissolve metallic compounds in carbon dioxide and pour the solution into the tight nooks and crannies of trenches etched into the silicon to form the wires. When the researchers add hydrogen gas, the compounds release their metal loads onto the silicon surfaces to create high-quality interconnects thinner than 100 nanometers.

Reacties (29)

[Rannasha]

Ben benieuwd of zuivering met koolstofdioxide ook economisch toegepast kan worden. Is wel leuk en aardig dat het zo goed werkt, maar als het met water een stuk goedkoper kan, dan blijft men toch water gebruiken.

[VROEM!]

Zo'n plant gebruikt net zoveel water als een klein dorp. Het gebruikte water moet na aanvoer eerst behandeld en is na gebruik heel slecht te zuiveren (heel duur dus) en wordt ook heel warm afgevoerd, over energieverbruik gesproken.

Als je het supercritische CO2 naar atmosferische omstandigheden laat expanderen, valt het vuil er min of meer vanzelf uit. Wat je dus doet is comprimeren, spoelen, wafers weg, expanderen. Even stoffer en blik door je spoelbak en je kunt nog een keer (ruw gezegd).

Als ze dit uitontwikkeld hebben is het echt VEEL goedkoper dan wat ze nu doen met water. Het CO2 wordt vanzelf warm bij het comprimeren, dus je hoeft het alleen af te laten koelen (met de warmte daaruit kun je bijvoorbeeld weer de verwarming laten draaien). Bij het expanderen wordt het koud et voila, hier hangen we de airco aan.

Dit procede wordt ook al toegepast bij textiel verven. (nu nog in onderzoeksfase)

[KeX]

..en wordt ook heel warm afgevoerd, over energieverbruik gesproken.

Buiten het feit dat je energie en dus geld weggooit tikt dit nog eens dubbel door in de energie heffing. Warm water lozen kost geld, omdat dit warm water bijdraagt aan de opwarming van de oceanen en dus de stijging van het zeewaterniveau en zo ook het broeikaseffect. In de toekomst wordt het gebruik van water dus steeds ongunstiger door de hogere ecotaxen die betaald moeten worden.

[VROEM!]

Volgens mij is dat meer een lokaal effect dan dat de hele oceaan warm wordt. Vaak krijg je bij zo'n fabriek zuurstoftekorten in het water (warm water kan minder zuurstof bevatten dan koud) en dus gaan allerlei beesten en planten dood met alle stank en narigheid vandien.

Als je het water afkoelt alvorens je het loost smijt je de warmte gewoon de lucht in, daar help je de opwarming van onze planeet ook een handje mee. Bovendien is die warmte al lang afgevoerd naar de bodem en de lucht voor de rivier de oceaan bereikt.

[offtopic]
Verder is het uberhaupt de vraag of de aarde echt wel door ons toedoen opwamt. Milieu organisaties houden dit thema vaak levend omdat het veel sponsoring oplevert, maar het is vroeger al veel warmer op onze planeet geweest dan nu en de korte stijgende trend die we op dit moment hebben is al honderdduizend keer eerder gebeurt. Het zegt niets over de temperatuur in de komende duizend jaar.
Gebieden met vulkanen produceren meer warmte en CO2 dan wij mensjes met zijn allen bij elkaar.

[KeX]

Of het al dan niet bijdraagt aan de opwarming van de oceanen is inderdaad een vraag. Er wordt op bestuurlijk niveau echter wel zo mee omgegaan zodat de milieuheffingen erop toenemen en het daardoor economisch in verhouding een minder gunstig wordt produktieproces wordt.

offtopic:
De vraag of het door ons toedoen gebeurd of dat het gewoon een cyclische natuurlijke beweging is is moeilijk te beantwoorden omdat we maar zo'n korte tijdspanne registreren. Dit is vergelijkbaar met het verhaal over het gat in de ozonlaag waarover ook de meningen verschillen. Daarover wordt ook gezegd dat dit een periodiek toenemend en afnemend gat is dat wij volgens die mening te kort bestuderen om daar goede uitspraken over te kunnen doen.

De gevolgen van de heersende opinie is echter wel iets waar je als producent mee te maken krijgt, ongeacht of het de waarheid is, wordt het nu wel als waarheid gebruikt. De heersende mening is nu in het algemeen dat onder andere de industrie de veroorzaker is van dit probleem en om die reden zullen alternatieven als het hier genoemde proces altijd gezocht worden en de "belastende" variant ongunstiger gemaakt worden.

[Cookie]

Of wij de hoofdveroorzaker zijn, is idd de vraag. Maar we kunnen niet ontkennen dat er de afgelopen, pak'm beet, 100 jaar - het industriële tijperk zeg maar - er door onze aanwezigheid een aantal zaken drastisch en exponentieel veranderen. Niet alleen een expansie van het aantal mensen zelf op deze planeet, maar ook de ontbossing, gifuitstoot en verbranding van fossiele (en niet-fossiele) "brandstoffen". Daarnaast is er niet alleen verkeer en industrie (a.i. fabrieken en chemie- en olieverwerking), maar ook de toegenomen landbouw en veeteelt die hierin 'meehelpen', om die 6 miljard mondjes te voeden en te laven. Misschien is het een druppel op een gloeiende plaat, globaal gezien, maar het lijkt me wel dat het een plotselinge verandering is.

[TheGhostInc]

Zoals in het stukje al wordt aangegeven kunnen de wafers nog puurder gemaakt worden.
Dus veel minder verontreiniging.
Want het overgaan van het .18 naar .13 procedee was niet alleen een andere fab neer zetten door de chipbakkers, maar ook andere wafers gebruiken, omdat de verontreiniging die in zo'n wafer zit nog minder moet zijn.

Als met deze techniek de wafers zuiverder aangeleverd kunnen worden, dan zullen de producenten van wafers wel over moeten stappen, omdat ze anders te onzuivere wafers produceren.
(wat lage yields betekent bij Intel en Amd)

[cazzie]

kraan water ? men bedoelt demi water

[KeX]

kraan water ? men bedoelt demi water

Water wat hier voor gebruikt wordt is DI water (gedeïnoiseerd water). Tegenwoordig worden de eisen aan water wat gebruikt wordt voor cleaning steeds hoger. Er worden soms water gebruikt dat aan PW (Purified water) of WFI (water for injection) eisen moet voldoen). Dit is water wat in de pharmaceutische industrie wordt gebruikt voor reiniging en produktie.
Dit water moet voldoen aan de hoogste eisen voor conductivity (geleidbaarheid) en TOC (total organic carbon). Dergelijk water doorgaat vaak een serie aan behandelingen. Naast CEDI (continue electro deïonisatie) wordt dit water gefilterd en met UV licht behandeld. Als eindstap wordt vaak dubbele omgekeerde osmose of zelfs het energieintensieve destillatie gebruikt. Er gaat veel geld rond in de industrie voor ultra pure waters. Vaak zijn bedrijfstakken waar dit soort sommen geld rond gaan heel star en al is een alternatief vaak in gebruik goedkoper blijft het oude proces gehandhaaft. Het overschakelen brengt zulke hoge kosten aan eenmalige investeringen met zich mee dat de duurdere produktievariant dan toch de voorkeur blijft genieten.

Informatie over het conventionele cleaning proces is hier te vinden.

[SiGNe]

Superkritisch kooldioxide is een mengvorm van vloeibaar en gasvormig kooldioxide en gedraagt zich als een vloeistof met bijzondere eigenschappen

Is dat geen plasma?
Of is dat weer wat anders?

[Rannasha]

Plasma is de 4e fase (Vast -> vloeibaar -> gas -> plasma) en wordt alleen bij hoge druk of temperatuur bereikt. Atoomkernen vallen uiteen in de plasma-fase

(en dat is niet goed voor je super-de-luxe 4GHZ CPU die je op dat moment aan het bouwen bent )

[Verwijderd]

Het zijn niet de atoomkernen die uitelkaar vallen want anders heet het kernsplijting! Plasma is gas waarin ionen en elektronen vrij rondbewegen dwz de elektronen van een gasmolecuul zitten los van van de atoomkern (ion).

[tweakerbee]

Ze hebben volgens mij al een bijna quitte gedraaid. Onderzoek is in volle gang, en er gaat een hoop subsidie naar uit. Het zou wel een super mooie schone manier van energievoorziening zijn.

[Verwijderd]

Als die ionen en elektronen vrij rondbewegen ipv zich beperken tot de kernen waarbij ze horen lijkt me dat dit een interessante fase is om te beginnen met het bombarderen van de kernen.

Is de kans wat groter dat je de kern raakt ipv de elektronen die de kern beschermen. Ik heb zelf geen idee hoe kernsplijting precies in zijn werk gaat maar misschien is dat wat Species bedoelde.

Ik zou toch wel graag willen weten waarom ik voor deze post -1 krijg.
Het is verdorie on-topic aangezien ik het als subreactie schreef op enkele reacties die reeds over kernsplijting gingen.

[Verwijderd]

Kernsplijting krijg je als je een atoomkern met neutronen ga beschieten. En omdat een neutron een neutrale lading heeft (vandaar die naam) kan het ook niet afgestoten worden door die wolk elektronen die ronom de kern zit. Wat wel handig is plasmagas voor kernfusie. Vanwege er geen elektronenwolk on een kern zit kunnen die atoomkernen dichter bijelkaar gebracht worden zodat het makkelijker is voor kernfusie. Dit proces wordt in een toroidal tokamak reactor volbracht. Maar helaas is de energie input groter dan de output.

[Neo_TGP]

Ik neem aan dat die ook voor meerdere toepassingen in verschillende industrien toepasbaar is, in dat geval is het best wel een vooruitgang, maar zou het proces om koolstofdioxide in die superkritische staat te krijgen niet erg duur zijn ?

En dat het milieu er van vooruit gaat is natuurlijk ook erg mooi mee genomen. Als nu bijvoorbeeld AMD of intel deze techniek zou gaan gebruiken zullen ze ook door milieu organisaties ed. in een goed daglicht worden gesteld, misschien toch weer leuke reclame. En wie weet krijg je als bedrijf nog wel subsidie voor een schoner produktie proces ook !

[Verwijderd]

als ik het vanuit leek oogpunt bekijk zou het maken ervan toch niet duur moeten zijn
alleen het opslaan is misschien wat lastig
maar kijk eens naar persluchtflessen etc. Allemaal onder hoge druk opgeslagen, alleen de temperatuur is misschien wat moeilijker, alhoewel 31+ graden ook niet echt veel is.

[VROEM!]

Die temperatuur is eenvoudig met een gloei elementje bij te regelen. Bovendien is 75 Bar ook weer niet zo veel. Een beetje gasfles kan zo 200 bar hebben.

[KeX]

Bovendien is 75 Bar ook weer niet zo veel. Een beetje gasfles kan zo 200 bar hebben.

Voor een gasfles is dat inderdaad niet zoveel, maar de toename in investeringen voor een procesinstallatie op hogere druk zijn aanzienlijk. Naast de veel strengere eisen aan je materialen waaruit je je plant optrekt zijn er ook vanuit arbo oogpunt veel procedures die de werkbaarheid van zo'n plant moeilijker en dus duurder maken. Voor het schatten van installaties in de procesindustrie volgens de methode van zevnik & buchanan, waar ik om de één of andere manier op het net geen voorbeeld van kan vinden, wordt de druk meegenomen in de complexity factor, evenals temperatuur en materiaalkeuze. Een werkdruk van 75 bar zorgt alleen al door druk voor een investeringsmultiplier van ongeveer 1.54, waarbij de materiaalkeuze en de iets hogere temperatuur nog niet meegenomen worden.

CF=10^(log(P/Patm)/10)
Dit lijk misschien weinig, maar op een procesinstallatie is dit behoorlijk.

Werken onder druk brengt bovendien een behoorlijke variabele investering met zich mee in de vorm van energie, al is dat natuurlijk ook zo met het alternatief water.

[Verwijderd]

offtopic

quote
Plasma is gas waarin ionen en elektronen vrij rondbewegen dwz de elektronen van een gasmolecuul zitten los van van de atoomkern (ion).
/quote

Zie het binnenste van de zon waar de temperatuur miljoenen grades kelvin is. Pijnlijk heet dus voor een cpu'tje dat al instabiel wordt bij 400 Kelvin

/offtopic

[Verwijderd]

Toch grappig dat ze in zo'n wetenschappelijk stukje schrijven over graden Celsius en atmosfeer terwijl dat toch in Kelvin en Pascal zou moeten....

[VROEM!]

Als je hier een poll gaat houden over wie weet hoe heet 400Kelvin is en hoeveel bar 3456Pa is dan weet je waarom ze zo'n publicatie hier schrijven in Celcius en Bar

[Verwijderd]

Bovendien is in de process industrie de bar en graden Celcius nog steeds volop aanwezig. Vraag maar eens aan de gemiddelde processoperator bij wat voor druk hij bepaalde producten maakt en het antwoord wordt gegeven in bar.

[rajackar]

Ik vraag me af hoe lang het duurt voor zoiets echt gebruikt gaat worden. Maar ja het is zeker wel goed nieuws

[Robino]

Tactisch bedacht. Maar nu moet het nog toegepast worden.