Vid tillverkning av integrerade kretsar (datorchips), kontinuerlig innovation är avgörande för att förbli konkurrenskraftig. Ett stort mål är att öka produktiviteten hos fotolitografimaskiner, som delvis bestäms av deras elektromagnetiska motorer. Ph.D.-kandidat Bart Koolmees, från TU/e ​​-avdelningen för maskinteknik, fokuserat på att utveckla ett supraledande alternativ för dessa motorer. Hans arbete visade att en sådan design kunde öka motorns effekt med mer än 500%, och han utarbetade också lösningar på några av de viktigaste tekniska utmaningarna:värmeisolering och supraledande spolars integritet. Han kommer att försvara sin avhandling den 9 december.

I en fotolitografimaskin, en bild på en mask projiceras flera gånger på en skiva med ett ljuskänsligt lager. Bilden projiceras inte direkt, men skannas med en liten ljusgata, som i en kopiator. Exakta elektromagnetiska motorer används för att flytta både masken och skivan synkront under skanning och vändning. Ofta försöker man öka motorernas acceleration för att öka produktiviteten genom att optimera den nuvarande motordesignen. Med hjälp av superledare, som Koolmees föreslår, ändrar designen avsevärt och möjliggör ett stort steg framåt.

"Hög" temperatur supraledande (HTS) material har noll elektrisk motstånd vid temperaturer under 90 K (-183 grader Celsius); den maximala strömmen de kan leda ökar med sjunkande temperatur. Strömtätheten på 100.000 A/mm2 till 600.000 A/mm2 är möjlig inom temperaturområdet 4 K till 20 K (-269 grader Celsius till -253 grader Celsius) jämfört med 35 A/mm2 i toppmodern koppar motorrullar vid rumstemperatur. För en första demonstrationsdesign, Koolmees föreslog att ersätta en motorhalva med supraledande alternativ för att öka magnetfältstyrkan i motorn.

Femfaldig förbättring

Eftersom effektiviteten för kylning till 4 K (-269 grader Celsius) ligger i intervallet 0,04% till 0,14%, Koolmees konstruerade en mycket effektiv värmeisolering för att minimera kylansträngningen. Denna isolering skulle passera mellan de två motorhalvorna; för att bibehålla motoreffektiviteten, den ska ha minimal tjocklek. Koolmees utvecklade två isoleringskonstruktioner med en tjocklek på 5 mm, som båda bibehåller temperaturskillnaden på nästan 300 grader samtidigt som de kräver en kylkapacitet på mindre än 1 W för en yta på 1,5 m med 2,5 m. Han analyserade också stöd och fixering för supraledande spole för värmeförlust till en temperatur på 4K, som visar en värmeledning under 0,5 W. Dessa värmebelastningar är tillräckligt låga för att kommersiellt tillgängliga, sluten cykel, kylare skulle räcka för att ta bort dem.

De supraledande spolarna som är konstruerade för motorapplikationen upplever höga mekaniska belastningar, och det är viktigt att förstå om mekaniskt fel kan förebyggas. Koolmees utförde en fördjupad analys för att beräkna mekaniska laster för huvudlastfallen. Detta visade att fel i de superledande spolarna kan förebyggas med rätt tillverkningsmetoder.

Koolmees forskning visade att en superledande magnetplatta kan ge en mer än femfaldig förbättring av magnetfältstyrkan jämfört med nuvarande toppmoderna elektromagnetiska motorer. Dessutom, hans lösningar på de viktigaste tekniska utmaningarna gör att en sådan magnetplatta är genomförbar mycket sannolikt.