أهم أداة في صناعة أشباه الموصلات تتحول إلى اللون الأخضر

في السعي المعقد لمواصلة زيادة كثافة الترانزستورات ، تعد الطباعة الحجرية فوق البنفسجية الشديدة (EUV) هي الأداة الأكثر أهمية. تكلف أكثر من 100 مليون دولار أمريكي ، ترتد هذه الأنظمة ذات حجم المقطورة بالقرب من ضوء الطول الموجي للأشعة السينية من سلسلة معقدة من المرايا وعلى رقائق السيليكون لإنشاء أنماط بدقة مقياس نانومتر. نظرًا لأن ضوء النظام الذي يبلغ قطره 13.5 نانومتر يمتص بواسطة الهواء ، فإن الآلية بأكملها موجودة في فراغ. حسنًا ، تقريبًا.

هناك ما يكفي من الملوثات في النظام والعملية التي تحتاجها الآلة عدة تدفقات دقيقة من الهيدروجين لإزالة أي شيء يمكن أن يفسد بصرياتها الدقيقة. تتدفق هذه التدفقات عبر حوالي 600 لتر من الغاز في الدقيقة ، ومن المحتمل أن ترتفع هذه الكمية في المستقبل.

اليوم ، عادة ما يتم حرق الهيدروجين الملوث الناتج لتكوين الماء. لذلك يجب تجديد الإمداد باستمرار بهيدروجين جديد. تكمن المشكلة في أن معظم الهيدروجين لا يتم تصنيعه باستخدام الطاقة الخضراء – بل يتم تصنيعه عن طريق معالجة الغاز الطبيعي بالبخار ، وإطلاق ثاني أكسيد الكربون في كل من العملية الكيميائية ومن أي مصدر طاقة ينتج البخار. في محاولة لتقليل البصمة البيئية لـ EUV وتكلفة ملكيتها ، توصل المهندسون في Edwards ، وهي شركة أنظمة تفريغ مقرها إنجلترا ، إلى طريقة لإعادة تدوير ما يصل إلى 80 بالمائة من الغاز.

“إنها تشبه خلية الوقود ، في الاتجاه المعاكس.” – أنتوني كين ، إدواردز فراغ

يقول أنتوني كين ، مدير التكنولوجيا في إدواردز ، إن الرغبة في استعادة الهيدروجين “أمر لا يحتاج إلى تفكير”. “يمكنك تحويلها إلى كهرباء ، وهو شيء جميل ، أخضر ، دائري. لكنك ما زلت تستهلك 100 بالمائة من مواردك. إن تنظيف الهيدروجين وإعادته إلى الماكينة هو في الواقع الأكثر فاعلية “.

يتدفق الهيدروجين في عدة أجزاء من آلة EUV. على سبيل المثال ، يعمل التدفق الشبيه بالستارة كحاجز بين معظم البصريات ورقاقة السيليكون ، والتي يتم تغليفها في تلك المرحلة بمواد كيميائية نشطة ضوئيًا يمكن أن تلوث الغرفة. لكن الجزء الأكبر من الهيدروجين ، وتركيز نظام إدواردز لاستعادة الهيدروجين ، يستخدم في مصدر ضوء EUV. هنا ، تنطلق أشعة الليزر من فئة الكيلووات بقطرات من القصدير المنصهر في منتصف الرحلة ، مما يؤدي إلى تفجيرها في البلازما التي تتوهج باستخدام الأشعة فوق البنفسجية. يمنع تدفق الهيدروجين القصدير المتبخر من تلوث بصريات النظام. من المهم أيضًا التخلص من الحرارة الحارقة لتوليد البلازما.

يمكن أن تصل صناعة أشباه الموصلات إلى 3 في المائة من الانبعاثات العالمية بحلول عام 2040.

يقول كين إن نظام استعادة الهيدروجين الخاص بإدواردز “يشبه خلية الوقود ، في الاتجاه المعاكس”. بعد خلط الغاز بقليل من الرطوبة والنيتروجين ، يتأين الهيدروجين ، ويدفع المجال الكهربائي الأيونات الناتجة عبر غشاء تبادل البروتون. على الجانب الآخر من الغشاء ، تتحد البروتونات مع الإلكترونات لتكوين هيدروجين نقي. وخطوة التنقية النهائية تزيل أي ماء ينتقل عبر الغشاء. تبقى جميع الملوثات على الجانب الآخر من الخلية حيث يمكن جمعها والتخلص منها.

كجزء من برنامج أنظمة وأنظمة أشباه الموصلات المستدامة من Imec ، قام Edwards و Imec باختبار نظام استرداد يحتوي على 80 مكدسًا كهروكيميائيًا قادرًا على التعامل مع ما يصل إلى 750 لترًا قياسيًا في الدقيقة على خط إنتاج السيليكون التجريبي البالغ 300 ملم من Imec. أظهرت الاختبارات أن النظام استعاد 70 إلى 80 في المائة من الهيدروجين وأدى إلى انخفاض صافي في استهلاك الطاقة.

بعد أن أثبت ما يمكن أن يفعله ، يجب على Edwards الآن عرض القضية على كبار مصنعي الرقائق ، مثل Intel و Samsung و TSMC. يسعى صانعو الرقائق وموردو أدوات صناعة الرقائق إلى تقليل البصمة الكربونية لإنتاج الدوائر المتكاملة ، والتي تقدر شركة Imec أنها قد تصل إلى 3 في المائة من الانبعاثات العالمية بحلول عام 2040.