Bij de productie van geïntegreerde schakelingen (computerchips), continue innovatie is essentieel om concurrerend te blijven. Een belangrijk doel is het verhogen van de productiviteit van fotolithografische machines, die mede bepaald wordt door hun elektromagnetische motoren. Promovendus Bart Koolmees, van de TU/e ​​afdeling Werktuigbouwkunde, gericht op het ontwikkelen van een supergeleidend alternatief voor deze motoren. Zijn werk toonde aan dat een dergelijk ontwerp het vermogen van de motor met meer dan 500% kon verhogen, en hij bedacht ook oplossingen voor enkele van de belangrijkste technische uitdagingen:thermische isolatie en de integriteit van de supergeleidende spoelen. Op 9 december verdedigt hij zijn proefschrift.

In een fotolithografische machine, een afbeelding op een masker wordt meerdere keren geprojecteerd op een wafer met een lichtgevoelige laag. Het beeld wordt niet in één keer geprojecteerd, maar wordt gescand met een klein spleetje licht, zoals in een kopieerapparaat. Nauwkeurige elektromagnetische motoren worden gebruikt om zowel het masker als de wafer synchroon te bewegen tijdens het scannen en omkeren. Het verhogen van de versnelling van de motoren om de productiviteit te verhogen wordt vaak geprobeerd door optimalisaties aan te brengen in het huidige motorontwerp. Met behulp van supergeleiders, zoals Koolmees voorstelt, verandert het ontwerp aanzienlijk en maakt een grote stap voorwaarts mogelijk.

"Hoge" temperatuur supergeleidende (HTS) materialen hebben geen elektrische weerstand bij temperaturen onder 90 K (-183 graden Celsius); de maximale stroom die ze kunnen geleiden neemt toe met afnemende temperatuur. Stroomdichtheden van 100.000 A/mm2 tot 600.000 A/mm2 zijn haalbaar in het temperatuurbereik van 4 K tot 20 K (-269 graden Celsius tot -253 graden Celsius) vergeleken met 35 A/mm2 in state-of-the-art koper motorspoelen bij kamertemperatuur. Voor een eerste demonstratorontwerp, Koolmees stelde voor om één motorhelft te vervangen door het supergeleidende alternatief om de magnetische veldsterkte in de motor te vergroten.

Vijfvoudige verbetering

Omdat efficiënties voor koeling tot 4 K (-269 graden Celsius) in het bereik van 0,04% tot 0,14% liggen, Koolmees ontwierp een zeer efficiënte thermische isolatie om de koelinspanning tot een minimum te beperken. Deze isolatie zou tussen de twee motorhelften passeren; om de motorefficiëntie te behouden, het moet een minimale dikte hebben. Koolmees ontwikkelde twee isolatieontwerpen met een dikte van 5 mm, die beide het temperatuurverschil van bijna 300 graden behouden terwijl ze een koelvermogen van minder dan 1 W nodig hebben voor een oppervlakte van 1,5 m bij 2,5 m. Ook analyseerde hij de steunen en fixatie voor de supergeleidende spoel op warmteverlies tot een temperatuur van 4K, met een thermische geleiding van minder dan 0,5 W. Deze warmtebelastingen zijn voldoende laag dan in de handel verkrijgbaar, gesloten kringloop, koelers zouden volstaan ​​om ze te verwijderen.

De supergeleidende spoelen die zijn ontworpen voor de motortoepassing ervaren hoge mechanische belastingen, en het is belangrijk om te begrijpen of mechanisch falen kan worden voorkomen. Koolmees voerde een diepgaande analyse uit om mechanische belastingen te berekenen voor de belangrijkste belastinggevallen. Hieruit bleek dat het falen van de supergeleidende spoelen kan worden voorkomen met de juiste fabricagemethoden.

Uit onderzoek van Koolmees bleek dat een supergeleidende magneetplaat een meer dan 5-voudige verbetering van de magnetische veldsterkte kan opleveren in vergelijking met de huidige state-of-the-art elektromagnetische motoren. Aanvullend, zijn oplossingen voor de belangrijkste technische uitdagingen maken de haalbaarheid van zo'n magneetplaat zeer waarschijnlijk.