Газ для производства чипов в 6000 раз опаснее CO₂ — новый катализатор разлагает его 150 часов без потери эффективности

Газ, используемый при производстве микрочипов, — тетрафторметан (CF₄) — в 6 000 раз сильнее влияет на парниковый эффект, чем углекислый газ, и остаётся в атмосфере около 50 000 лет. Исследователи из Корейского передового института науки и технологий (KAIST) совместно с Samsung Electronics разработали катализатор, который разлагает это вещество с эффективностью 98% и сохраняет работоспособность более 150 часов. Результаты опубликованы в Angewandte Chemie International Edition.

Тетрафторметан применяется в процессе сухого травления — удаления ненужных участков с полупроводниковой пластины для создания тончайших схем. Проблема в том, что молекулы CF₄ практически не разрушаются: связь между углеродом и фтором настолько прочна, что в природе газ разлагается столетиями. На производствах его разлагают при высокой температуре с помощью пара и катализатора — аналогично тому, как работают нейтрализаторы в выхлопных системах автомобилей. Однако обычные катализаторы быстро теряют эффективность: при разложении CF₄ образуется фтористый водород, который в сочетании с влагой создаёт агрессивную среду, частицы катализатора слипаются, площадь поверхности уменьшается — и производительность падает.

Команда под руководством профессора Минки Чхве из KAIST решила проблему, применив принцип «энтропийной стабилизации» — или, проще говоря, «силы беспорядка». Если равномерно смешать несколько типов атомов металла, структура материала становится настолько сложной и хаотичной, что ей трудно перестроиться в другую форму или слипнуться. Исследователи ввели в кристаллическую решётку алюмината пять металлов: алюминий, цинк, галлий, никель и кобальт. Полученный «энтропийно-стабилизированный алюминатный катализатор» (ESA) устойчив к спеканию и структурным изменениям даже в условиях высокой температуры, влаги и фтора одновременно.

Разработка открывает путь к созданию нового поколения катализаторов для полупроводниковой промышленности. По оценке авторов, технология позволит существенно сократить выбросы парниковых газов на производствах чипов, где тетрафторметан используется в больших объёмах. Это снизит экологический след отрасли — без потери производительности оборудования.

В ускоренном тесте при 800°C в течение 150 часов эффективность нового катализатора снизилась с 98% до 92% — против падения с 93% до 48% у обычного. Авторы также впервые экспериментально подтвердили механизм разложения CF₄ с помощью изотопов кислорода: катализатор использует кислород из собственной структуры, а затем восполняет его за счёт пара — эффект «кислородной подзаправки». Методика может быть адаптирована для других газов, используемых в производстве полупроводников, путём изменения состава металлов.

Источник: eurekalert.org