أي الصناعات تعتمد بشكلٍ كبيرٍ على التبريد من الدرجة المستخدمة في أشباه الموصلات؟

العوامل الرئيسية الدافعة للتبريد من الدرجة المستخدمة في أشباه الموصلات: تصنيع أشباه الموصلات

التحكم الحراري في عمليات التصوير الضوئي والتنميش

أثناء عمليتي التصوير الضوئي والتنميش، تُنشأ تصاميم الرقائق. ولذلك، يجب إجراء هاتين العمليتين مع درجة عالية جدًّا من الاستقرار الحراري. فحتى التقلبات الحرارية الصغيرة جدًّا مثل ±٠٫٠٥°م يمكن أن تؤدي إلى تغيّرات حرجة في الأبعاد وتؤثّر سلبًا على معدلات الإنتاج. علاوةً على ذلك، يمكن أن يتسبب تمدّد الركيزة الناجم عن الحرارة في عدم انتظام وضع القناع أثناء تعريض طبقة المقاومة الضوئية. كما أن اضطراب درجات الحرارة قد يعكّر من تفاعلات المواد المنمّشة، وهي مشكلة بالغة الخطورة خصوصًا في عملية التنميش بالبلازما. وقد أظهرت دراسة أجرتها شركة SEMATECH عام ٢٠٢٣ أن الانجراف الحراري كان السبب وراء زيادة العيوب بنسبة ١٥٪–٢٢٪ في توزيع طاقة الأيونات عند العُقد الأصغر من ٥ نانومتر. ولتفادي هذه المشكلات، يستخدم المصنعون أنظمة تبريد متخصصة مزوَّدة بماسكات تبريد سائلة (Liquid Cooled Chucks) وأنظمة تبريد مغلقة الحلقة باستخدام النيتروجين. وعلى الرغم من تقدُّم هذه الأنظمة وقدرتها على الحفاظ على استقرار حراري بقيمة ±٠٫٠١°م، فإن تطبيقها لتحقيق التحكم الحراري اللازم للحفاظ على سلامة الميزات عند العُقد الأصغر من ٣ نانومتر ما زال يشكّل تحديًّا هندسيًّا كبيرًا في قطاع تصنيع أشباه الموصلات.

تحديات التحكم في درجة الحرارة المرتبطة بالحقن الأيوني والتشذيب الكيميائي الميكانيكي

يوجد تباين صارخ في متطلبات التعامل الحراري للوحدتين: إدخال الأيونات والتنعيم الكيميائي الميكانيكي (CMP). وتُعد أجهزة إدخال الأيونات المسؤولة عن توليد أكبر كمية من الحرارة، وعادةً ما تتراوح هذه الكمية بين ١٠–١٥ كيلوواط نظراً لوجود مسرّعات الأيونات. وأي ارتفاع في درجة حرارة الرقائق فوق ٤٥ درجة مئوية سيؤدي إلى مشاكل جسيمة تتعلق بالشوائب الأيونية الخاضعة للتحكم المايكرو-مِثالي، والمفاصل الناتجة حرارياً. أما عملية التنعيم الكيميائي الميكانيكي (CMP) فهي عكس ذلك تماماً بسبب الحساسية الحرارية لتفاعلات المعلّق. فأي انحراف عن درجة الحرارة ٣٠ ± ١ درجة مئوية يكفي لتسبب نمو مفرط غير مرغوب في طبقة الأكسيد نتيجة التأثير الحراري، وارتداء غير متساوٍ لحواجز النيتريد. وتستخدم أحدث مرافق التصنيع أنظمة تبريد معقدة ذات مناطق متعددة لإدارة هذه التأثيرات. فتقوم مبادلات الحرارة الكريوجينية بتبريد أجهزة إدخال الأيونات إلى درجة حرارة -٤٠ درجة مئوية، والتحكم في درجة حرارة المعلّق عبر وحدات بيلتييه ضمن نطاق دقيق لا يتجاوز ٠٫١ درجة مئوية. ومن المعروف جيداً في القطاع أن حدود هذه أنظمة التحكم تؤدي إلى خسارة تتراوح بين ١٢٪ و١٨٪ في نسبة العائد خلال تصنيع أشباه الموصلات. التبريد الخاص بأشباه الموصلات والتكامل ثلاثي الأبعاد والتغليف المتقدم

إن أحدث تقنيات التغليف، مثل التكامل ثنائي الأبعاد والنصف (2.5D) والتكامل ثلاثي الأبعاد (3D) وتغليف الشريحة الصغيرة (Chiplets)، هي العوامل الدافعة للطلب على أنظمة التبريد المتقدمة في قطاع أشباه الموصلات. وعندما يقوم المصنعون بتغليف الترانزستورات الصغيرة جدًّا، فإنهم يولِّدون حرارةً شديدة تتجاوز ١٠٠٠ واط لكل سنتيمتر مربع. وبغياب أنظمة التبريد، قد تنحني المواد أو تتقشَّر أو تنفصل طبقاتها عن بعضها، مما يؤدي إلى خسائر إنتاجية هائلة. وتشكِّل حلول التبريد عاملًا حاسمًا للحفاظ على سلامة البنية أثناء تركيب الرقائق (Dies) والربط الهجين (Hybrid Bonding)، وكذلك للحفاظ على الاستقرار البُعدي للنظام تحت الأحمال الحرارية القصوى.

التحديات الحرارية في عمليات التغليف المسطّح مع وجود توصيلات أمامية (FOWLP) ومعالجة الثقوب الممتلئة بالمعادن (TSV)

تواجه تقنيات FOWLP وTSV تحديات كبيرة في إدارة الحرارة. ففي حالة FOWLP، تتطلب مادة التغليف الإيبوكسية توزيعًا متجانسًا لدرجة الحرارة عبر رقائق السيليكون بقطر 300 مم. كما تؤدي أي تقلبات في درجة الحرارة حتى لو كانت ±٠٫٣ درجة مئوية إلى إحداث إجهادات في طبقات إعادة التوزيع. أما في حالة TSV، فتنشأ تحديات مماثلة من عملية الطلاء الكهربائي للنحاس في الثقوب العمودية (TSV)، حيث يؤدي الحرارة الناتجة عن هذه العملية إلى تكوّن فراغات داخل الثقوب عندما تتجاوز درجة الحرارة ٥٠ درجة مئوية. وللتغلب على هذه التحديات الحرارية، يستخدم مصنعو أشباه الموصلات أنظمة تبريد متخصصة ومصممة خصيصًا لكل تطبيق.

التبريد المتعدد المناطق — التحكم الفردي في المبرد لكل وحدة عملية

استجابة حرارية بالمايكروثانية — منع الانفلات الحراري أثناء الربط المُفعَّل بالبلازما

التشغيل الخالي من الاهتزازات — الحفاظ على المحاذاة بدقة نانومترية أثناء التراص

مع تقدم ربط الهجين نحو مسافات توصيل أقل من ١٠ ميكرومتر، ومع ازدياد كثافة القدرة في الدوائر المتكاملة ثلاثية الأبعاد (3D-ICs)، يصبح من الضروري دمج أنظمة التبريد السائل في الطبقات الوسيطة (Interposers) لإزالة الحرارة بكفاءة. ويستلزم هذا التطور استخدام أنظمة تبريد ذات درجة نقاء شبه موصلية لتغليف المكونات المتقدمة على نطاق واسع.

تطبيقات ناشئة: الحوسبة الكمومية، والبصريات، وقياسات التصوير بالأشعة فوق البنفسجية البعيدة (EUV)

الحاجة إلى التبريد عند درجات حرارة كريوجينية في تصنيع الكيوبتات الفائقة التوصيل

يتطلب تصنيع بتات الكم الفائقة التوصيل (الكيوبتات) أنظمة تبريد متقدمة للغاية، قادرة على التشغيل بالقرب من الصفر المطلق. ويجب عزل المعالجات الكمومية عن البيئة المحيطة والحفاظ على درجة حرارة لا تتجاوز 20 مللي كلفن (mK) لتقليل الضوضاء الحرارية وضمان بقاء الكيوبتات في حالة تماسك كافية لإجراء العمليات الحسابية وتقليل الأخطاء إلى أدنى حدٍّ ممكن. ولأنظمة التبريد الكريوجينية التقليدية قيودٌ في إدارة الحمل الحراري الناتج عن أنظمة التبريد أثناء عمليات الليثوغرافيا وترسيب طبقات رقيقة. أما أحدث جيل من ثلاجات التخفيف فيأتي مزودًا بمراحل تبريد باردة مخصصة صُمِّمت لتقليل الاهتزازات، فضلًا عن دروع حرارية متطورة تتيح استقرارًا حراريًّا يفوق 0.5 مللي كلفن أثناء تصنيع الوصلات الجوسيفونية (JJs). وهذا يدل على أن زمن التماسك للكيوبتات يمكن توسيعه بمعامل يبلغ 100 مرة مقارنةً بالنظم السابقة، وهي ميزة ذات قيمة عملية كبيرة.

متطلبات الاستقرار لدرجات الحرارة الأقل من -0.1°م لمصادر وأجهزة بصريات الإشعاع فوق البنفسجي المتطرف (EUV).

تُعَدُّ تكنولوجيا التبريد عالية الجودة ضروريةً لعملية التصنيع الضوئي باستخدام أشعة EUV. وتشكِّل مصادر أشعة EUV بلازما قصديرٍ قويةً تولِّد ما يقارب ٢٠٠ كيلوواط من الحرارة. ويجب أن تضمن أنظمة التبريد الحفاظ على درجات الحرارة دون ٠٫١°م. وتتضمن عملية التصنيع الضوئي باستخدام أشعة EUV عناصر بصرية عاكسة، حيث تكون المرايا حساسةً للغاية للتغيرات. ولذلك، فإن أي تغيُّر في درجة الحرارة بمقدار +٠٫٠٥°م أو -٠٫٠٥°م قد يؤثِّر في أطوال الموجة البالغة ١٣٫٥ نانومتر (k=13.5) ويؤدي إلى فقدان تركيز العناصر البصرية. ولتفادي ذلك، تتبنّى الشركات المصنِّعة أنظمة تبريد متعددة المراحل لغرف البلازما ومبرِّدات حلقيَّة مغلقة للمرايا. وتضمن هذه الإجراءات مستوىً ثابتًا من إنتاج الفوتونات ودقةً عاليةً في عمليات التراكب (overlays). وكما أفادت التقارير الصادرة عن القطاع، تنخفض معدلات العائد بنسبة تتراوح بين ١٢٪ و١٨٪ فيما يتعلَّق بعمليات التراكب عندما تتجاوز درجات الحرارة حد التحمُّل المسموح به والبالغ ٠٫١°م. ولذلك، فإن إدارة الحرارة تكتسب أهميةً بالغةً بالنسبة للشركات المصنِّعة التي تسعى لإنتاج رقائق إلكترونية أصغر من ٣ نانومتر.

الأسئلة الشائعة

لماذا تُعَد الاستقرار الحراري أمرًا بالغ الأهمية في تصنيع أشباه الموصلات؟

وللحفاظ على الاستقرار الحراري في تصنيع أشباه الموصلات، يجب التحكم في التغيرات الصغيرة في درجة الحرارة لمنع حدوث عيوب في الرقائق الإلكترونية، لا سيما عند المقياس النانومتري.

ما بعض طرق التغليف المبتكرة التي تأثرت بإدارة الحرارة؟

تتطلب أساليب مثل التكامل ثنائي الأبعاد وثلاثي الأبعاد (2.5D/3D)، وهندسة الشريحة الصغيرة (chiplet architecture)، والتغليف الموجّه للرقاقة من الجانب الأمامي (FOWLP) التحكم في درجات الحرارة لتجنب تشوه المواد وتعظيم العوائد الناتجة عن العملية.

ما الفوائد التي يوفّرها التبريد الكريوجيني للحوسبة الكمومية؟

عند درجات الحرارة المنخفضة جدًّا، تنخفض الضوضاء الحرارية، وتتحسَّن مدة التماسك (coherence time) للكيوبتات (qubits)، ما يمكِّن من إجراء عمليات حسابية كمومية أفضل.