Dans la production de circuits intégrés (puces informatiques), l'innovation continue est essentielle pour rester compétitif. Un objectif majeur est d'augmenter la productivité des machines de photolithographie, qui est en partie déterminé par leurs moteurs électromagnétiques. Le candidat au doctorat Bart Koolmees, du département TU/e ​​de Génie Mécanique, concentré sur le développement d'une alternative supraconductrice pour ces moteurs. Son travail a montré qu'une telle conception pouvait augmenter la puissance du moteur de plus de 500%, et il a également conçu des solutions à certains des principaux défis techniques :l'isolation thermique et l'intégrité des bobines supraconductrices. Il soutiendra sa thèse le 9 décembre.

Dans une machine de photolithographie, une image sur un masque est projetée plusieurs fois sur une plaquette avec une couche photosensible. L'image n'est pas projetée d'un coup, mais est scanné avec une petite fente de lumière, comme dans une photocopieuse. Des moteurs électromagnétiques précis sont utilisés pour déplacer à la fois le masque et la plaquette de manière synchrone pendant le balayage et l'inversion. L'augmentation de l'accélération des moteurs pour augmenter la productivité est souvent tentée en optimisant la conception actuelle du moteur. En utilisant des supraconducteurs, comme le propose Koolmees, modifie considérablement le design et permet un grand pas en avant.

Les matériaux supraconducteurs à "haute" température (HTS) ont une résistance électrique nulle à des températures inférieures à 90 K (-183 degrés Celsius); le courant maximal qu'ils peuvent conduire augmente avec la diminution de la température. Des densités de courant de 100 000 A/mm2 à 600 000 A/mm2 sont réalisables dans la plage de température de 4 K à 20 K (-269 degrés Celsius à -253 degrés Celsius) par rapport à 35 A/mm2 dans le cuivre de pointe bobines du moteur à température ambiante. Pour une première conception de démonstrateur, Koolmees a proposé de remplacer une moitié du moteur par l'alternative supraconductrice pour augmenter la force du champ magnétique dans le moteur.

Amélioration quintuple

Étant donné que les rendements de refroidissement jusqu'à 4 K (-269 degrés Celsius) se situent entre 0,04 % et 0,14 %, Koolmees a conçu une isolation thermique très efficace pour minimiser l'effort de refroidissement. Cette isolation passerait entre les deux moitiés du moteur; pour maintenir l'efficacité du moteur, il doit avoir une épaisseur minimale. Koolmees a développé deux conceptions d'isolation d'une épaisseur de 5 mm, qui à la fois maintiennent la différence de température de près de 300 degrés tout en nécessitant une puissance frigorifique inférieure à 1 W pour une surface de 1,5 m sur 2,5 m. Il a également analysé les supports et la fixation de la bobine supraconductrice pour les déperditions thermiques à une température de 4K, présentant une conduction thermique inférieure à 0,5 W. Ces charges thermiques sont suffisamment faibles que celles disponibles dans le commerce, cycle fermé, des glacières suffiraient à les enlever.

Les bobines supraconductrices conçues pour l'application moteur subissent des charges mécaniques élevées, et il est important de comprendre si une défaillance mécanique peut être évitée. Koolmees a effectué une analyse approfondie pour calculer les charges mécaniques pour les principaux cas de charge. Cela a montré que la défaillance des bobines supraconductrices peut être évitée avec les bonnes méthodes de fabrication.

Les recherches de Koolmees ont montré qu'une plaque magnétique supraconductrice peut fournir une amélioration de plus de 5 fois l'intensité du champ magnétique par rapport aux moteurs électromagnétiques de pointe actuels. En outre, ses solutions aux principaux défis techniques rendent très probable la faisabilité d'une telle plaque magnétique.