Tillverkning av mikroprocessorer baserade på en 300 mm kiselskiva ULTRARENT VATTEN FÖR MIKROELEKTRONIKINDUSTRIN Mikroelektroniken har utvecklats från mikroteknik till nanoteknik, därför behövs renare tillverkningsprocesser och renare processvatten XZERO AB Januari 2013 1
VATTEN FÖR NANOTEKNIK Mikroelektronikens grundläggande komponenter är små strömbrytare (transistorer) där kontakterna ligger 32 nanometer 0,000032 mm från varandra. Även en liten förorening orsakar därför lätt en kortslutning. Nu förbereder industrin för 22 nanometer och därefter 16 och har även långsiktiga planer för 8 nanometer. Ett hårstrå har en diameter på cirka 200 000 nanometer. Inom branschen har det precis uppenbarats att existerande teknik för vattenrening inte kan förfinas för att klara dessa nya toleranser. Scarab Development AB förutsåg denna utveckling redan på slutet av 1980-talet och är det enda bolag som har arbetat med att utveckla en helt ny teknik som kan klara de nya kraven. Xzero bildades år 1997 för att slutföra denna utveckling. Denna nya teknik kan komma att visa sig vara oumbärlig för mikroelektronikens fortsatta utveckling. Detta är Xzeros stora affärsmöjlighet. Vårt mål är att ta fram utrustning som gör absolut rent vatten för mikroelektroniksindustrin. Vår ambition är dessutom att åstadkomma detta utan att släppa ut några av de ofta mycket giftiga ämnen som används i tillverkningsprocesserna i miljön. Det kan exempelvis vara kadmium, arsenik eller kvicksilver. Absolut renhet och absolut miljövänlighet är Xzeros mål. För närvarande har vi demonstrationer på Global Water Sustainability Center i Doha (syftar till nollutsläpp) och Sjöstadsverket i Stockholm (syftar till att demonstrera effektiviteten med svåra ämnen). Den senaste händelseutvecklingen inom mikroelektroniken har öppnat nya möjligheter för Xzero. Miniatyrisering av integrerade kretsar (chip) för att uppnå ökad effekt till lägre kostnad betyder att kortslutning kan orsakas av allt mindre och mindre partiklar. De minsta är för små för att mätas med existerande mätinstrument. De har tidigare inte utgjort något problem men de kommer att göra det framöver. De kallas därför för mördarpartiklar (killer particles). Beslutet att utveckla teknik kommer att leda till fabriker som är 8 gånger dyrare med vattensystem som är 12 gånger dyrare än befintliga. Kostnaden för en ny fabrik beräknas till mellan 50 och 60 miljarder SEK varav vattenreningssystemet beräknas till mellan 900-1 200 miljoner SEK. Skadan som en partikel kan göra växer i motsvarande grad. Vattenreningen försvåras allt mer av att nya giftiga kemikalier introduceras i tillverkningen och att råvattnet från floder och brunnar försämras som en följd av miljöfaktorer som avlopp från storstäder, läkemedelsfabriker, textilfabriker och annat. På grund av ovanstående utveckling anser många i branschen numera att det är tveksamt om förbättringar av nuvarande vattenreningsteknik ska kunna rena vattnet till en acceptabel nivå. Det är främst diskussionen om mördarpartiklar som har förändrat läget för Xzero. Branschen inser nu att de måste ta bort allt mindre partiklar vare sig de kan mätas eller inte. Vår viktigaste fördel är att vi tar bort alla partiklar. Flera av de närvarande på den senaste konferensen Ultrapure Water for the Semiconductor Industry i Phoenix i november 2012 där vi gav en presentation har nu accepterat att vi kan ta bort alla mätbara partiklar. En del accepterar det logiska i att vi också på grund av teknikens natur tar bort även de som inte kan upptäckas med dagens mätutrustningar. 2
KRAV PÅ RENHET Många industrier använder ultrarent vatten. Matarvatten till kraftverk måste vara mycket rent. Vatten som används vid läkemedelstillverkning och för injektionslösningar måste vara ännu renare. De högsta kraven ställs emellertid på det vatten som används i stora mängder vid tillverkning av processorer och minnen inom mikroelektroniken. Dessa komponenter tillverkas genom att man bygger lager på lager av olika material på en kiselplatta. Överblivet material måste sköljas bort mellan varje steg i tillverkningen. Sköljvattnet måste vara så rent så att det inte lämnar några joner eller partiklar kvar i komponenten. En enskild partikel kan förorsaka kortslutning. För att öka prestandan hos processorer och minnen gör man dem allt mer kompakta. Detta gör man genom att göra dem allt tätare. Avståndet mellan ledande trådar är nu nere i diametrar som närmar sig 10 nanometer det är 20 000 gånger smalare än ett hårstrå. Om en förorening är större än 10 nanometer kan den orsaka kortslutning. Integrerade kretsar tillverkas i den mest avancerade klassen av renrum. OregonLive.com TILLVERKNING AV MIKROCHIP 2. Allt arbete sker i renrum 1. Man börjar med en kiselskiva. 3
3. Man lägger på lager av lager av komplicerade strukturer genom att bygga på olika lager med ledande eller halvledande ämnen 6. Kiselskivan sågas itu till enstaka mikrochip. Ett mikrochip kan idag innehålla ända till miljarder transistorer (elektriska kretsar som kan vara av eller på som mycket små strömbrytare) 7. Det finns många olika sorters mikrochip för olika ändamål 4. Det får inte komma föroreningar någonstans på produkten 8. Vanligtvis förpackas chipet i en plastkapsel med anslutningsledningar till själva kretsen. Här syns processorn för en MacBookPro 5. På kiselskivan sitter nu omkring hundra mikrochip 4
Så här har kiselskivorna utvecklats under åren 9. Mikrochipet monteras 10. Processorn som här syns monterad på ett moderkort är ett mikrochip som bearbetar all information Här syns utvecklingen under den senaste tiden. 200 mm var gårdagens teknik. 300 är dagens och 450 är morgondagens. 11. Ett annat mikrochip är minneschipet som lagrar all data UTAN MIKROCHIP Inga datorer Inget Internet Inga rymdfärder Inget Microsoft ALLT RENARE ULTRARENT VATTEN har varit förutsättningen för : Smartphone Ipad Google Spotify YouTube 5
UTVECKLINGEN AV LINJEBREDD I den här illustrationen ser man hur linjebredden har utvecklats från 1970 talet (Intels berömda processor 8008) till idag. 10 nanometer (nm) är tusen gånger mindre än 10 mikrometer (µm). Allt större krav ställs på renheten i tillverkningen. När Intel började tillverka sina Pentium processorer ställde vi frågan om de inte skulle satsa på en ny vattenteknink för att minska risken för fel i processorerna. Svaret var: Jo säkert, men inte än! Vi genomförde därefter tester på Sandia National Laboratories vilka visade att vi redan då var minst lika bra som existerande teknik. Sedan dess har vi arbetat vidare genom att testa tekniken i större provanläggningar för andra ändamål. Nyligen har intresset för renare vatten vaknat inom mikroelektroniken och man talar om killer particles partiklar som är så små att de inte ens går att mäta. 6
NÄSTA STEG I NANOTEKNIKENS VÄRLD HOT ELLER LÖFTE? Bilden visar en komponent med åtta flashminnen på vardera 128 Gigabyte som Intel och Micron har utvecklat tillsammans för användning i bland annat smartmobiler. På den kan man exempelvis lagra antingen musik som räcker för att spela dygnet runt i två år, eller tusen långfilmer eller några hundra tusen bilder, ja miljoner bilder. Alla som använder modern mikroelektronik har märkt att lagringskapacitet och snabbhet utvecklas exponentiellt. Och antalet möjliga tillämpningar verkar nästan oändliga. Den snabba utvecklingen in i nanoelektronikens värld lovar ytterliga stora framsteg inom industriproduktion, kommunikation, medicin, kultur, ja alla mänskliga aktiviteter. Men det finns också stora faror. Det som ännu är konspirationsteorier idag kan lätt bli verklighet i morgon. Följande är några av resultaten från en två års utredning av Washington Post (måndag 19 juli, 2010; 04:50, Washington Post): Den topphemliga värld som skapats i USA som svar på terroristattackerna den 11 september 2001, har blivit så stor, så tungrodd och så hemlighetsfull att ingen vet hur mycket pengar den kostar, hur många människor den använder, hur många program som finns eller exakt hur många myndigheter som gör dubbelarbete. Efter nio år av exempellös tillväxt är resultatet ett system som är så massiv att dess effektivitet är omöjligt att avgöra. Ungefär 1 271 statliga organisationer och 1 931 privata företag arbetar på program med anknytning till kampen mot terrorism och inrikes säkerhet på cirka 10 000 platser över hela USA. Uppskattningsvis 854 000 människor har certifikat från topphemlig säkerhetsprövning. I Washington och omgivande område har 33 byggnadskomplex för topphemlig underrättelseverksamhet byggts eller är under uppbyggnad sedan september 2001. Tillsammans upptar de cirka 17 miljoner kvadratmeter. Många säkerhets- och underrättelsetjänster gör onödigt dubbelarbete. Till exempel finns det 51 federala organisationer och militära kommandon, som verkar i 15 amerikanska städer för att spåra flödet av pengar till och från terroristnätverk. Det publiceras cirka 50 000 underrättelserapporter varje år - en volym så stor att många rapporter rutinmässigt ignoreras. I rapporten från Washington Post ser man tydligt underrättelseverksamhetens traditionella dilemma - för mycket information! Nu arbetar man på att föra samman all information till en enda stor databas. Där ska information från Internet, e-post, telefon och liknande aktiviteter samlas. Genom att alla mobiler kommer att ha inbyggd gps och redan har mikrofoner kan även vanliga samtal läggas in i databasen. Samtidigt planeras en utbyggnad av användningen av obemannade flygplan. I framtiden sägs de kunna bli som små humlor som surrar utanför ditt fönster och samlar information. Man kommer att kunna lagra exakt och specifik information om varje enskild individs förehavanden. Det blir ju ännu mer information att hantera för den som spanar! Men samtidigt som utvecklingen inom nanotekniken gör det möjligt att lagra all världens information möjliggör den också avancerade processorer med sökalgoritmer som gör att man sekundsnabbt kan få fram, förhoppningsvis relevant, information om vem som helst, när helst det behövs. Detta kan visa sig vara utomordentligt effektivt för att stoppa terrorister av alla de slag. I fel händer kommer det att vara farligt och obehagligt även för alla andra. Eftersom pågående framsteg inom mikroelektroniken kommer att göra detta möjligt kan vi räkna med att det också förverkligas. Vem kommer att äga tekniken och hur ska man kunna få den under demokratisk kontroll!? 7
NU KRÄVS ÄNNU RENARE ULTRARENT VATTEN Trots att hela vårt liv idag faktiskt påverkas på gott och på ont - av den exceptionella utvecklingen i mikroelektroniken har de flesta av oss fortfarande väldigt vaga uppfattningar om hur tekniken har utvecklats och hur den i grunden fungerar. Vi märker bara att vi numera kan ladda ner flera långfilmer i vår smarta telefon och skicka i stort sett hur stora text-, musik- och bildmassor som helst till vänner och bekanta på andra sidan jordklotet om så skulle behövas. Hur många känner till Moore s Law? Hur många förstår vilket tekniksprång som det kommer att innebära att industrin går över från 300 mm kiselskivor som grund i tillverkningen till 450 mm - och från 32 nanometers linjebredd till 16 och så småningom 8 nanometer. Moores lag, uppkallad efter en av Intels grundare Gordon E. Moore, säger att antalet transistorer (enkelt uttryckt strömbrytare) som får plats på en mikrokrets (ett chip) växer exponentiellt (fördubbling vartannat år). Moores lag har visat sig i stort sett korrekt ända sedan 1965 då den formulerades. På 80-talet tolkades lagen som fördubblingen av antalet transistorer per chip. I början av 90-talet menades fördubblingen av mikroprocessorkraften och senare fördubblingen av beräkningskraft per fix kostnad. Det som Moores lag beskriver ligger bakom den explosionsartade utvecklingen vi sett inom elektronik och informationsteknologi (IT) under de senaste decennierna. Den huvudsakliga orsaken till denna utveckling är att man kunnat tillverka allt kompaktare mikrokretsar. Avståndet mellan av och på, (alltså noll och ett som är det språk som har möjliggjort hela datatekniken) har gjorts mindre och mindre. Detta gör att beräkningar blir snabbare och lagringskapacitet ökar. I praktiken har denna utveckling huvudsakligen möjliggjorts genom att industrin minskat linjebredden på mikrokretsarna (processorer och minnen för massmarknaden) vartannat år. Sedan början av 2010 är 32 nanometer standard. Det finns nu också 22 nanometer och man siktar på 16 nanometer. Det finns också redan en färdplan för att nå 8 nanometer. För att komma vidare i utvecklingen mot allt högre kapaciteter till överkomliga priser har det hela tiden krävts årlig forskning och utveckling i mångmiljardklassen. Denna bekostas till stor del av de ledande företagen, men även stora statliga strategiska forskningspengar bidrar. För att kunna tillverka nästa generation avancerade mikrokretsar till rimliga kostnader måste även tillverkningsmetoderna rationaliseras. En viktig del i detta är en övergång från 300 mm kiselskivor till 450 mm. Den nuvarande storleken började användas redan år 2001. Genom denna förändring kan man tillverka dubbelt så många mikrokretsar på varje kiselplatta vilket ökar produktiviteten och beräknas minska totalkostnaden nästan till hälften. Att samtidigt gå från 32 nanometers linjebredd till 16 och från 300 mm kiselskiva till 450 kommer att vara det svåraste steget i utvecklingen hittills och det absolut dyraste. En färdig 300 mm kiselskiva innan den skärs upp i chip (se fyrkanterna på skivan) som är huvudkomponenten i en processor. Varje chip kan innehålla flera miljarder transistorer. Intels nuvarande fabrik i Hillsboro, Oregon, USA Kostnaderna för verktygsutveckling som behövs för detta nya steg beräknas till $ 25 miljarder. En stor del av detta kommer förmodligen att bekostas av ett konsortium av ledande tillverkare som går under namnet Global 450 Consortium (G450C). Medlemmar är för närvarande Intel, TSMC, GLOBALFOUNDRIES, IBM och Samsung. 8
Planen är som vanligt inom mikrokretstillverkningen att bygga helt nya fabriker för den nya tillverkningen. Att uppgradera en existerande 22-nm-fabrik (Hillsboro, Oregon) för användning av 450 mm kiselskivor kommer enligt beräkningar av ägaren Intel att kosta mellan $ 6 och 8 miljarder. En helt ny fabrik beräknas (av TSMC) kosta $ 8-10 miljarder. Även installationskostnaden för vattenreningsutrustning beräknas stiga dramatiskt från idag cirka 100 miljoner SEK i en normalstor fabrik till mellan 900 1 250 miljoner SEK. Det krävs en oerhörd mängd avancerade tekniska nyheter. Bland annat krävs det utveckling av ett vattenreningssystem som även avlägsnar de minsta partiklar som ännu inte går att upptäcka i vattnet. En sådan teknik har utvecklats av Xzero med början redan för mer än tio år sedan. Samtidigt pågår naturligtvis utveckling av förbättringar av den nu använda tekniken, men Xzero är än så länge ensamma om att utveckla en helt ny teknik för detta ändamål. XZEROS VATTENTEKNIK Redan i början av nittiotalet fick Scarab Development besök av vattenexperter från Intel och IBM som sa inte nu, men kanske någon gång snart kan vi behöva en ny vattenreningsteknik. Dessa kontakter ledde till att Scarab fick möjlighet att testa rening av använt sköljvatten från halvledarindustrin. Detta skedde på Sandia National Laboratories i Albuquerque, New Mexico, USA. Testerna finansierades av EPA, USA:s miljödepartement, och Sematech, halvledarindustrins forskningsinstitut. Testerna visade att vi kunde få bort samtliga föroreningar från sköljvattnet till under gällande utsläppsregler. Testerna visade också att ett enda steg med Scarabs metod gav lika rent vatten som en lång serie traditionella behandlingar. Det var i detta läge som Scarab Development AB startade Xzero AB (publ) för att lansera tekniken till halvledarindustrin. Kärnkomponenten i Xzeros produktlösning är kassetter med hydrofobiska vattenavstötande - membran. Membranen släpper igenom enskilda vattenmolekyler i ångfas men inte vatten och de föroreningar som finns i vattnet. Det vatten som ska renas värms upp och cirkulerar förbi membranet. På andra sidan av membranet finns en kall yta. Skillnaden i ångtryck mellan den varma och kalla sidan tvingar ångmolekylerna genom membranet medan vatten som inte är i ångfas stoppas av membranet. Alla icke flyktiga föroreningar hålls tillbaka av vattnets ytspänning. Samtliga flyktiga föroreningar avlägsnas genom avgasning. Ångmolekylerna kondenserar på den kalla sidan och är då ultrarent - helt fritt från föroreningar. Processen sker vid normalt tryck och vid temperaturer under 100 C. I övrigt är det rent fysikaliskt likt vanlig destillering, men har en mycket högre (absolut) avskiljningsgrad. Xzeros system kan: återvinna mer än 90 % av processvattnet reducera den totala energiförbrukningen med minst 50% vid användning av spillvärme reducera kapitalkostnaderna leverera vatten med högre reningsgrad med ökad tillförlitlighet De flesta har varit tveksamma till vår teknik. Hur kan ett litet företag i Sverige komma med genombrytande nyheter inom ett område där utvecklingen vanligtvis sker på stora laboratorier i USA? På konferensen Ultrapure Water i Phoenix, Arizona, USA den 12 och 13 november 2012 har vi fått en första bekräftelse från tongivande experter att vår teknik rent teoretiskt skulle kunna åstadkomma en total avskiljning av föroreningar. Vi fick också bekräftat att det nya paradigmskifte som satsningen på nästa steg i minskningen av linjebredden och övergången till 450 mm kiselplattor kommer att kräva ny vattenreningsteknik. Man har på många håll accepterat att Xzeros teknik inte är likt ett ännu bättre myggnät som stoppar allt mindre partiklar, utan i sitt praktiska resultat mer likt ett flugpapper som stoppar allt. Nu är diskussionen i stället igång om hur vi ska se till att vattnet inte blir förorenat igen efter att det har renats. Vi har också lärt oss att med de oerhörda krav som ställs måste vi söka samarbete med den mest avancerade forskningen inom halvledarindustrin för att i praktiken kunna uppnå det vi teoretiskt sett kan åstadkomma. Inom branschen förutspår man att det bara kommer att vara ett fåtal tillverkare som har råd att ta nästa steg i utvecklingen. 9
TESTER MED LÄKEMEDELSRESTER För att verifiera effektiviteten testar vi för närvarande läkemedel. Rester från läkemedel anses som ett stort och växand problem. Resultaten från det första testet på Sjöstadsverket med 37 olika välkända läkemedel som finns i avloppsvattnet (kommer främst från mänsklig urin och avföring) i Henriksdalsverket avskilde vår anläggning samtliga så att de var under detektionsnivån efter rening. RESULT XZERO 2012-11-08 Treatment plant: Sjöstadsverket Substans: Mode of action: Xzeros demonstrationsanläggning på Sjöstadsverket Effluent from municipal waste water plant Module 1a, 52C Module 1b, 54C Diclofenac Anti-inflammatory 336 <3 <3 Furosemide Diuretics 592 <5 <5 Sulfamethoxazole Antibiotic 95 <5 <5 Hydrochlorothiazide Antihypertensive 860 <7 <7 Ibuprofen Anti-inflammatory 63 <3 <3 Naproxen Anti-inflammatory 42 <5 <5 Warfarin Blood thinning 12,8 <2 <2 Atenolol Antihypertensive 136 <1 <1 Ciprofloxacin Antibiotic 16 <10 <10 Paracetamol Anti-inflammatory 20 <8 <8 Trimetoprim Antibiotic 15 <3 <3 Ranitidine Anti-acid 46 <5 <5 Metoprolol Antihypertensive 761 <1 <1 Oxazepam Sedatives 187 <2 <2 Carbamazepine Sedatives 190 <1 <1 Ketoprofen Anti-inflammatory 53 <4 <4 Amlodipine Antihypertensive 38 <8 <8 Propranolol Antihypertensive 50 <2 <2 Citalopram Antidepressant 115 <2 <2 Bisoprolol Antihypertensive 25 <3 <3 Sertralin Antidepressant 3,7 <0.8 <0.8 < means below the indicated detection limit Genom att visa att Xzero kan få bort läkemedelsrester från avloppsvatten stärker vi trovärdigheten i vårt påstående att vi har en överlägsen teknik. Även om det kan ta lång tid innan vår teknik är tillräckligt billig för att användas för att behandla avloppsvatten kan detta vara ett framtida affärsområde. Det finns även mer specifika problem som vi kan lösa för läkemedelsindustrin. Demonstrationsanläggningen kom igång efter sommaren 2012 och har redan tagit emot ett dussintals besökare som är intresserade av tekniken. Den används för närvarande för tester med läkemedelsrester i avloppsvatten men kommer att användas för åtskilliga andra tester av Svenska Miljöinstitutet (IVL) och Kungliga Tekniska högskolan (KTH). 10
ATT ÅTERANVÄNDA VATTEN Xzero har genomfört tester för att koncentrera koncentrat från en avsaltningsanläggning i Saudiarabien tillsammans med ett lokalt vattenföretag, Moya Bushnak. I november 2010 presenterade Xzero och Moya Bushnak sina försöksresultat på International Desalination Associations årskonferens i Perth, Australien. Efter en del inkörningsproblem har nu de första testerna givit goda resultat och anläggningen som har testats på Qatars universitet kommer i januari 2013 att flyttas till en produktionsmiljö på det statliga kraft/vattenbolaget. Huvudsakligen kommer dessa försök för Xzeros del vara viktiga för att visa att tekniken kan nå en hög koncentrationsnivå och därigenom vara lämplig för att åstadkomma nollutsläpp vilket blir en allt viktigare fråga även för mikroelektronikföretagen Xzeros pilotanläggning i Qatar Xzeros testanläggning i Saudiarabien Sedan dess har Xzero sålt ytterligare en testanläggning till Global Water Sustainability Center i Qatar. Den är avsedd att användas för att prova om tekniken kan vara användbar för att behandla produced water alltså det vatten som följer med upp när man utvinner gas. Qatar har världens tredje största gasfyndigheter och har beslutat att inte ge tillstånd för utvinning om inte det företag som söker tillstånd kan visa att de kan rena det vatten som följer med oljan upp. 11
XZERO AB Xzero AB Teknikhöjden, Björnnäsvägen 21 SE-114 19 Stockholm SWEDEN Tel: +46 8 660 39 64 Fax: +46 8 662 96 18 E-post: info@xzero.se www.xzero.se 12