Dechetë të karkalecëve për një elektronikë më të qëndrueshme mjedisore

Me shpërthimin e digjitalizimit, objekteve të lidhura dhe inteligjencës artificiale, prodhimi i komponentëve elektronikë vazhdon të rritet. Prodhimi i këtyre komponentëve përdor teknika të përpunimit të ndërlikuara që kanë për qëllim të skulpturojnë materialin në shkallë disa mikrometra deri në disa nanometra, ose rreth ekuivalentit të qindta e të mijta të diametrit të një flokë.

Ndikimi mjedisor i këtyre proceseve të prodhimit është vlerësuar sot midis 360 dhe 600 milionë tonë ekuivalente CO₂ në vit në mbarë botën. Kërkuesit synojnë të zvogëlojnë këtë ndikim duke u përqëndruar në fazat e ndryshme të prodhimit të produkteve elektronike.

Proceset e prodhimit në mikroelektronikë kërkojnë përdorimin e materialeve dhe zgjidhjeve të naftës – që do të thotë, të burimeve fosile si nafta. Dhe disa nga këto materiale përmbajnë përbërës kimikë të klasifikuar si mutagjenë, kancerogjenë ose reprotoxikë. Për arsye ekonomike, rregullatorë, ekologjike dhe të sigurisë, aktorët e fushës theksojnë dëshirën e tyre për të theksuar zhvillimin e proceseve më të respektueshme ndaj mjedisit dhe më pak toksike. Për më tepër, parashikimet për rënien e rezervave të naftës detyrojnë eksplorimin e materialeve alternative ndaj materialeve të naftës – një fushë që quhet « kimia e gjelbër ».

Në këtë kontekst, studjohen materiale bioburimore (që do të thotë, materiale të buruara pjesërisht ose plotësisht nga biomasa) dhe hidrosoluble si një alternativë ndaj materialeve të naftës. Për shembull, proteina e mëndafshit ose proteinat e të bardhës së vezës, dy materiale që i përkasin familjes së polimereve (materiale të përbëra nga molekula të mëdha, të njohura gjithashtu si « makromolekula ») janë propozuar si rezina për litografinë. Megjithatë, këto polimere bioburimore kanë kufizime praktike, për shembull, duke konkurruar me ushqimin njerëzor për sa i përket të bardhës së vezës.

Për të lexuar gjithashtu : Si ta bëjmë elektronikën më të qëndrueshme?

Në punimet tona, ne eksplorojmë potencialin e chitosanit, një material polimer natyral i prodhuar sot në shkallë industriale nga chitina, të cilën e nxjerrim kryesisht nga mbeturinat bujqësore dhe ushqimore, si mbulesat e karkacave të karkalecave dhe gropave, endoskelet e kalimereve dhe kalamareve, dhe disa kërpudha.

Ne kemi treguar se chitosani është i përshtatshëm për një linjë prodhimi pilot gjysmë-ndërmarrësor të mikroelektronikës. Analiza e ciklit të jetës së procesit që propozojmë tregon një reduktim potencial prej 50% të ndikimit mjedisor në krahasim me rezinat tradicionale gjatë kryerjes së hapave të litografisë dhe gravurës të ngjashme.

Litografia, procesi kyç i prodhimit të komponentëve elektronikë

Për shembull, sot, prodhimi i një tranzistori kërkon disa qindra hapa (mes 300 dhe 1000 për secilën copë, në varësi të natyrës së komponentit).

Ndër këto hapa, hapat e litografisë lejojnë të vizatohet modeli i komponentëve në shkallë mikro dhe nanometrike. Janë ato që kërkojnë më shumë produkte kimike aktualisht të buruara nga nafta dhe për disa prej tyre janë toksike.

Litografia konsiston në mbulimin e pllakës së silicit me një shtresë rezine të ndjeshme ndaj dritës ose një rreze elektronesh – si një film fotografik – në mënyrë që të regjistrohen modele nga disa mikrometra deri në disa nanometra përmes ndërveprimit lokal të rrezeve me materialin. Në optikë, përdoren disa gjatësi valeje sipas madhësisë së modeleve të dëshiruara.

Sa më e vogël të jetë gjatësia e valeut, aq më të vogla janë modelet që mund të regjistrohen, dhe sot mund të arrihen rezolucione më pak se 5 nanometra me dritë me gjatësi valeje prej 13,5 nanometra, për t’iu përgjigjur kërkesës për miniaturizimin e komponentëve elektronikë, duke u bazuar në ligjin e Moore. Ky ligj përcakton se numri i tranzistoreve në një qark të integruar dyfishohet rreth çdo dy vjet, duke sjellë një rritje eksponenciale të performancës së mikroprocesorëve dhe duke ulur koston e tyre për njësi.

Në fund, gjatë fazës së zhvillimit – edhe një herë si një term i huazuar nga fotografia argentike, është ndryshimi i tretshmërisë midis zonave të resinës që janë ekspozuar ose jo ndaj irradiimit ultravjollcë ose të elektroneve që lejon krijimin e hapjeve me gjeometri të përcaktuar përmes resinës së chitosaanit. Aty ku resinë zhduket, hyn në kontakt me substratin e siliciumit (ose shtresën/të tjera nënstrukture). Kështu mund ta gravurojmë ose të vendosim materiale të tjera (metale, dielektrike dhe gjysmëpërçues), duke e përdorur resinën e mbetur si një maskë mbrojtëse e përkohshme për zonat jo të trajtuara.

Chitosani, një zgjidhje biologjike për resinën

Siç u përmend më parë, chitosani prodhohet nga chitina, polimeri i dytë natyror më i përhapur në Tokë (pas celulozës), por gjithashtu mund të prodhohet përmes proceseve bioteknologjike. Përveç se është një material i ripërtërishëm, ai është biokompatibil, jo toksik për mjedisin, biodegradues dhe tretshëm në mjedise ujore të lehta acide.

Ndër të gjitha këto avantazhe, interes i madh për mikro- dhe nanofabrikimin është se ai mund të formojë filma të hollë, domethënë shtresa me trashësi shumë të vogël. Pra, chitosani mund të shpërndahet lehtësisht mbi substratin e siliciumit për të zëvendësuar resinën e pështjellë hidrokarbure.

Në kuadër të disa projekteve kërkimore, kemi vërtetuar se chitosani është i pajtueshëm me të gjitha teknikat e litografisë: litografi elektronike, optike (193 nanometra dhe 248 nanometra) dhe madje edhe në nanoimprint. Kjo e fundit përfshin shtypjen direkte të filmit të chitosanit me një tampon të ngrohur që ka motive me madhësi nënmikrometrike.

Chitosani ndryshon strukturën kur është i irradiuar

Ne kemi vërtetuar se, nën ekspozimin ndaj dritës ose shufrave të elektroneve, ndodh një reduktim i gjatësi së makromolekulave të chitosanit për shkak të prerjes së lidhjeve kimike, sipas një procesi të « depolimerizimit të pjesshëm ».

Kjo ka si pasojë që zona e irradiuar e resinës të tretet në ujë të pastër, ndërsa zonat që nuk preken nga shufra mbeten të patretshme.

Në fund, performanca e resinës me chitosan është afër resinave tregtare në kushte të kontrolluara mjedisore (dhoma të bardha të mikroelektronikës), dhe kjo është edhe më e mirë nën atmosferë me përqindje të ulët oksigjeni dhe/ose lagështie relative të ulët, kushte që mund të kontrollohen në dhoma të bardha.

Motivet janë transferuar me sukses përmes gravurës në silice dhe silicium për të arritur motivet më pak se 50 nanometra në shkrim elektronik.

Përmirësimi i rezolutës përbën një drejtim kërkimi të vazhdueshëm në konsorcin tonë për të arritur standardet e resinëve të referencës, sidomos duke qenë se industria është në kërkim të zgjidhjeve alternative ndaj resinëve tradicionale për t’iu përgjigjur sfidave mjedisore, ekonomike dhe teknologjike aktuale. Resinat bio-bazë mund të jenë një alternativë reale në momentin që ato do të lejojnë arritjen e rezolucioneve të arritura nga resinat tradicionale, pra disa nanometra.

Lexoni gjithashtu: A janë pajisjet tuaja elektronike gjithnjë e më shumë të vjetruara shpejt?

Ekspertiza që kemi ndërtuar gjatë viteve, kryesisht në kuadër të projektit ANR Lithogreen, ka lejuar konsorcin tonë i laboratorëve francezë të integrojë projektin evropian Horizon Europe Resin Green me synime zhvillimi në litografinë optike mbi të gjithë gamën nga 365 nanometra deri në 13,5 nanometra dhe në litografinë elektronike me rezolucion të lartë — gjë që do të mundësonte arritjen e rezolucioneve të krahasueshme me ato që arrihen aktualisht me resinë të burimit fosil.

Projekti Lithogreen ANR-19-CE43-0009 është mbështetur nga Agjencia Kombëtare e Kërkimit (ANR), e cila financion në Francë kërkimin mbi projekte. ANR ka për mision të mbështesë dhe të promovojë zhvillimin e kërkimeve themelore dhe të finalizuara në të gjitha disiplinat, dhe të forcojë dialogun midis shkencës dhe shoqërisë. Për më shumë informacion, vizitoni faqen e ANR.