Nella produzione di circuiti integrati (chip per computer), l'innovazione continua è essenziale per rimanere competitivi. Uno degli obiettivi principali è aumentare la produttività delle macchine fotolitografiche, che è in parte determinato dai loro motori elettromagnetici. Ph.D.-candidato Bart Koolmees, dal TU/e ​​dipartimento di Ingegneria Meccanica, si è concentrato sullo sviluppo di un'alternativa superconduttiva per questi motori. Il suo lavoro ha dimostrato che un tale progetto potrebbe aumentare la potenza del motore di oltre il 500%, e ha anche ideato soluzioni ad alcune delle principali sfide tecniche:l'isolamento termico e l'integrità delle bobine superconduttrici. Difenderà la sua tesi il 9 dicembre.

In una macchina per fotolitografia, un'immagine su una maschera viene proiettata più volte su un wafer con uno strato fotosensibile. L'immagine non viene proiettata in una volta, ma viene scansionato con una piccola fessura di luce, come in una fotocopiatrice. Vengono utilizzati motori elettromagnetici accurati per spostare sia la maschera che il wafer in modo sincrono durante la scansione e l'inversione. Spesso si tenta di aumentare l'accelerazione dei motori per aumentare la produttività apportando ottimizzazioni all'attuale design del motore. Usando i superconduttori, come propone Koolmees, cambia notevolmente il design e consente un grande passo avanti.

I materiali superconduttori ad "alta" temperatura (HTS) hanno una resistenza elettrica pari a zero a temperature inferiori a 90 K (-183 gradi Celsius); la corrente massima che possono condurre aumenta al diminuire della temperatura. Densità di corrente da 100.000 A/mm2 a 600.000 A/mm2 sono possibili nell'intervallo di temperatura da 4 K a 20 K (da -269 gradi Celsius a -253 gradi Celsius) rispetto a 35 A/mm2 nel rame di ultima generazione bobine motore a temperatura ambiente. Per un primo progetto di un dimostratore, Koolmees ha proposto di sostituire una metà del motore con l'alternativa superconduttiva per aumentare l'intensità del campo magnetico all'interno del motore.

Miglioramento di cinque volte

Poiché le efficienze per il raffreddamento a 4 K (-269 gradi Celsius) sono comprese tra 0,04% e 0,14%, Koolmees ha progettato un isolamento termico altamente efficiente per ridurre al minimo lo sforzo di raffreddamento. Questo isolamento passerebbe tra le due metà del motore; per mantenere l'efficienza del motore, dovrebbe avere uno spessore minimo. Koolmees ha sviluppato due progetti di isolamento con uno spessore di 5 mm, che mantengono la differenza di temperatura di quasi 300 gradi pur richiedendo una potenza frigorifera inferiore a 1 W per un'area di 1,5 m per 2,5 m. Ha anche analizzato i supporti e il fissaggio per la bobina superconduttiva per la perdita di calore a una temperatura di 4K, mostrando una conduzione termica inferiore a 0,5 W. Questi carichi termici sono sufficientemente bassi da quelli disponibili in commercio, ciclo chiuso, i refrigeratori sarebbero sufficienti per rimuoverli.

Le bobine superconduttrici progettate per l'applicazione del motore subiscono elevati carichi meccanici, ed è importante capire se è possibile prevenire guasti meccanici. Koolmees ha eseguito un'analisi approfondita per calcolare i carichi meccanici per i principali casi di carico. Ciò ha dimostrato che il guasto delle bobine superconduttrici può essere prevenuto con i giusti metodi di produzione.

La ricerca di Koolmees ha dimostrato che una piastra magnetica superconduttiva può fornire un miglioramento di oltre 5 volte nell'intensità del campo magnetico rispetto agli attuali motori elettromagnetici all'avanguardia. Inoltre, le sue soluzioni alle principali sfide tecniche rendono molto probabile la fattibilità di una tale piastra magnetica.