EN
Основни фактори, подпомагащи охлаждането за полупроводникови цели: производство на полупроводници
Термичен контрол при фотолитография и травиране
По време на процесите на фотолитография и травиране се създават дизайни на чипове. Следователно тези процеси трябва да се извършват при изключителна термична стабилност. Дори температурни колебания от само ±0,05 °C могат да доведат до промени в критичните размери и негативно да повлияят върху добива при производството. Освен това термичното разширение на подложката може да предизвика несъвпадане на маската по време на експонирането на фоторезиста. По-нататък, нестабилните температури могат да нарушият химичните реакции на травителите, което е особено проблематично при плазмено травиране. Според проучване от SEMATECH през 2023 г. термичният дрейф е причина за 15–22 % повече дефекти в разпределението на енергията на йоните при възли по-малки от 5 нм. За да се избегнат тези проблеми, производителите използват специализирани системи за охлаждане с течностно охлаждани държачи и затворени цикли на азотно охлаждане. Въпреки че тези системи са напреднали и могат да осигуряват стабилност от ±0,01 °C, прилагането им за постигане на термичен контрол, необходим за запазване на цялостта на структурите при възли по-малки от 3 нм, все още представлява значителна инженерна предизвикателство в полупроводниковата производствена индустрия.
Проблеми с контрола на температурата, свързани с йонната имплантация и химичното-механично полирване (CMP)
Има рязък контраст в изискванията за термично управление на двата модула – йонна имплантация и химическо-механична планаризация (CMP). Имплантиращите устройства са отговорни за най-голямото топлинно отделяне, обикновено в диапазона 10–15 kW, поради йонните ускорители. Всяко нагряване на пластините над 45 °C ще предизвика сериозни проблеми с йонните допанти, контролирани миметично, както и с термично индуцирани преходи. CMP е обратното, поради термичната чувствителност на реакцията на суспензията. Всяко отклонение от 30 ± 1 °C е достатъчно, за да доведе до термично индуцирано излишно оксидно нарастване и неравномерно износване на нитридните бариери. Съвременните производствени фабрики използват сложни системи за охлаждане с множество зони, за да се управлява този ефект. Криогенни топлообменници охлаждат имплантиращите устройства до –40 °C, а Пелтие-управлени суспензии се поддържат в диапазон от ±0,1 °C. В промишлеността е добре известно, че ограниченията на тези системи за управление водят до загуба на добив от 12 % до 18 % при производството на полупроводникови устройства. Рефрижерационни системи за полупроводникова класа и тримерна интеграция, както и напреднали опаковъчни технологии
Най-новите методи за опаковане, като 2,5D и 3D интеграция и опаковането на чиплети, стимулират търсенето на напреднали системи за охлаждане в полупроводниковата индустрия. Когато производителите опаковат миниатюрни транзистори, се генерира екстремно топлинно натоварване над 1000 вата на квадратен сантиметър. Без охлаждане материалите могат да се деформират, да се отделят слоевете и да се разделят отделните пластове, което води до значителни загуби при производството. Решенията за охлаждане са от критично значение за запазване на цялостността на структурата при сглобяването на дайсове и хибридно свързване, както и за поддържане на размерната стабилност на системата при екстремни термични натоварвания.
Термични предизвикателства при обработка на FOWLP и TSV
FOWLP и TSV са изправени пред значителни предизвикателства в областта на термичното управление. За FOWLP епоксидната формовъчна композиция изисква равномерно разпределение на температурата по цялата повърхност на 300 mm фолиата. Напрежения в слоевете за пренасочване възникват дори при температурна вариация от ±0,3 °C. TSV също има равно предизвикателно проблеми, произтичащи от електроплатинирането на медта в TSV. Топлината, генерирана по време на този процес, води до образуване на вакуумни дефекти вътре в преходните отвори, когато температурата надвиши 50 °C. За справяне с тези термични предизвикателства производителите на полупроводникови устройства използват специализирани, предназначени за конкретни приложения рефрижерационни системи.
Охлаждане с множество зони — индивидуално управление на чилъра за всеки технологичен модул
Термична реакция в микросекунди — предотвратяване на неуправляемо увеличение на температурата по време на плазмено активирано свързване
Работа без вибрации — запазване на нанометровото подравняване по време на струпване
Докато хибридното свързване напредва към междинни разстояния под 10 μm и докато плътността на мощността на тримерните интегрални схеми (3D-IC) нараства, необходимостта от интегрирано течностно охлаждане в интерпозери за ефективно отвеждане на топлината става критична. Този напредък изисква охлаждане до криогенни температури по стандартите за полупроводникови устройства за мащабируемо напреднало опакетиране.
Възникващи приложения: квантови компютри, фотоника и EUV-метроология
Необходимост от криогенно охлаждане при производството на свръхпроводящи кубити
Производството на свръхпроводящи квантови битове (кубити) изисква изключително сложни системи за охлаждане, способни да работят при температури, близки до абсолютната нула. Квантовите процесори трябва да са изолирани от околната среда и да се поддържат при температура от 20 миликелвина (mK) или по-ниска, за да се минимизира топлинният шум и да се осигури достатъчна когерентност на квантовите битове за извършване на изчисления с минимален брой грешки. Традиционните криогенни системи имат ограничения при управлението на топлинната мощност по време на литография и депозиция на тънки филми. Най-новото поколение разредителни криостати е оборудвано с персонализирани студени стъпала, проектирани така, че да минимизират вибрациите, както и с напреднали термични екрани, които осигуряват стабилност на температурата по време на производството на Джозефсънови преходи (JJ) по-добра от 0,5 mK. Това показва, че времето на когерентност на кубитите може да се удължи 100 пъти спрямо предишните системи, което има значителна практическа стойност.
Изисквания за стабилност при температури под -0,1 °C за EUV източници и оптика.
Качествената охладителна технология е от съществено значение за процеса на EUV литография. Източниците на EUV светлина са мощни оловни плазми, които генерират приблизително 200 kW топлина. Хладилните системи трябва да гарантират поддържане на температурите под 0,1 °C. Процесът на EUV литография включва рефлекторна оптика, при която огледалата са изключително чувствителни към промени. Следователно всяка температурна промяна от +0,05 °C или -0,05 °C може да повлияе върху дължината на вълната k=13,5 нанометра и да предизвика разфокусиране на оптиката. За да се избегне това, производителите прилагат многостепенна охладителна система за плазмените камери и затворени хладилни контури към огледалата. Тези мерки гарантират постоянен ниво на фотонен изход и прецизност на наслагването (overlays). Според индустриални доклади, добивът спада между 12 % и 18 % по отношение на наслагването (overlays), когато температурите излизат извън допустимата грешка от 0,1 °C. Следователно за производителите, които целят производство на чипове с размер под 3 нанометра, термичният мениджмънт е критичен.
Често задавани въпроси
Защо термичната стабилност е критична при производството на полупроводници?
За да се осигури термична стабилност при производството на полупроводници, трябва да се контролират малките температурни промени, за да се предотвратят дефекти в чиповете, особено при нанометров мащаб.
Какви са някои иновативни методи за опаковане, повлияни от термичното управление?
Методи като 2,5D/3D интеграция, архитектура на чиплети и FOWLP изискват контрол на температурите, за да се избегне деформацията на материалите и да се максимизира добивът от процеса.
Какви предимства предоставя криогенното охлаждане на квантовите изчисления?
При изключително ниски температури термичният шум намалява, а времето на когерентност на квантовите битове (кубити) се подобрява, което позволява по-ефективни квантови изчисления.