कौन से उद्योग सेमीकंडक्टर-ग्रेड शीतलन पर सबसे अधिक निर्भर करते हैं?

सेमीकंडक्टर-ग्रेड शीतलन के प्रमुख ड्राइवर: सेमीकंडक्टर निर्माण

फोटोलिथोग्राफी और एचिंग में तापीय नियंत्रण

फोटोलिथोग्राफी और एचिंग प्रक्रियाओं के दौरान चिप डिज़ाइन बनाए जाते हैं। अतः इन प्रक्रियाओं को अत्यधिक तापीय स्थिरता के साथ किया जाना आवश्यक है। ±0.05°C जैसे छोटे तापमान परिवर्तन भी महत्वपूर्ण आयाम परिवर्तन का कारण बन सकते हैं और उत्पादन उपज (यील्ड) को नकारात्मक रूप से प्रभावित कर सकते हैं। इसके अतिरिक्त, ऊष्मा के कारण सब्सट्रेट का प्रसार फोटोरेजिस्ट एक्सपोज़र के दौरान मास्क के गलत संरेखण का कारण बन सकता है। इसके अतिरिक्त, अस्थिर तापमान एचेंट्स की प्रतिक्रियाओं को बाधित कर सकता है, जो विशेष रूप से प्लाज्मा एचिंग में समस्याग्रस्त होता है। एक 2023 के SEMATECH अध्ययन में पाया गया कि 5nm नोड्स से कम आयन ऊर्जा वितरण में दोषों में 15%–22% अधिक वृद्धि का कारण तापीय ड्रिफ्ट था। इन समस्याओं से बचने के लिए, निर्माता तरल-शीतित चक्स (चक्स) और बंद लूप नाइट्रोजन-शीतित प्रणालियों के साथ विशिष्ट शीतलन प्रणालियों का उपयोग करते हैं। यद्यपि ये प्रणालियाँ उन्नत हैं और ±0.01°C की स्थिरता बनाए रख सकती हैं, फिर भी 3nm से कम विशेषताओं की अखंडता को बनाए रखने के लिए तापीय नियंत्रण प्राप्त करने के लिए इन प्रणालियों को लागू करना अर्धचालक निर्माण उद्योग में एक बड़ी इंजीनियरिंग चुनौती बनी हुई है।

आयन अधोस्थापना और सीएमपी के साथ जुड़ी तापमान नियंत्रण की चुनौतियाँ

आयन अधोस्थापन (Ion Implantation) और रासायनिक यांत्रिक समतलीकरण (Chemical Mechanical Planarisation - CMP) के दोनों मॉड्यूलों की ऊष्मा प्रबंधन आवश्यकताओं के बीच एक तीव्र विपरीतता है। आयन त्वरकों के कारण, इम्प्लांटर्स सबसे अधिक ऊष्मा उत्पन्न करते हैं, जो आमतौर पर 10–15 kW की सीमा में होती है। 45 डिग्री सेल्सियस से अधिक कोई भी वेफर तापन मिमेटिकली नियंत्रित आयन डोपैंट्स और ऊष्मा-प्रेरित जंक्शनों के साथ गंभीर समस्याएँ उत्पन्न कर देगा। CMP के मामले में स्थिति इसके विपरीत है, क्योंकि स्लरी अभिक्रियाएँ ऊष्मा के प्रति अत्यधिक संवेदनशील होती हैं। 30 ± 1 डिग्री सेल्सियस से कोई भी विचलन ऊष्मा-प्रेरित अतिरिक्त ऑक्साइड वृद्धि और नाइट्राइड बैरियर्स के असमान क्षरण का कारण बन सकता है। अग्रणी वास्तविक निर्माण सुविधाएँ इस प्रभाव को प्रबंधित करने के लिए कई क्षेत्रों वाले जटिल शीतलन प्रणाली का उपयोग करती हैं। क्रायोजेनिक हीट एक्सचेंजर्स इम्प्लांटर्स को -40 डिग्री सेल्सियस तक ठंडा करेंगे और पेल्टियर स्लरी को 0.1 डिग्री की सीमा में नियंत्रित करेंगे। उद्योग में यह अच्छी तरह से ज्ञात है कि इन नियंत्रणों की सीमाएँ अर्धचालक निर्माण में 12% से 18% तक के उत्पादन हानि का कारण बनती हैं। अर्धचालक-ग्रेड शीतलन तथा 3D एकीकरण और उन्नत पैकेजिंग

2.5D और 3D एकीकरण जैसी सबसे हालिया पैकेजिंग तकनीकों और चिपलेट्स की पैकेजिंग के कारण सेमीकंडक्टरों में उन्नत शीतलन की मांग बढ़ रही है। जब निर्माता छोटे-छोटे ट्रांजिस्टरों को पैक करते हैं, तो वे प्रति वर्ग सेंटीमीटर 1000 वाट से अधिक की अत्यधिक ऊष्मा उत्पन्न करते हैं। शीतलन के बिना, सामग्री विकृत हो सकती है, परतें अलग हो सकती हैं या अलग-अलग परतें एक-दूसरे से अलग हो सकती हैं, जिससे विशाल उत्पादन हानि होती है। डाइज़ के असेंबली और हाइब्रिड बॉन्डिंग में संरचना की अखंडता बनाए रखने के लिए, तथा अत्यधिक तापीय भार के तहत प्रणाली की आयामी स्थिरता बनाए रखने के लिए शीतलन समाधान महत्वपूर्ण हैं।

FOWLP और TSV प्रोसेसिंग में तापीय चुनौतियाँ

FOWLP और TSV को तापीय प्रबंधन की गंभीर चुनौतियों का सामना करना पड़ता है। FOWLP के लिए, एपॉक्सी मॉल्डिंग कंपाउंड को 300 मिमी वेफर्स पर समान तापमान वितरण की आवश्यकता होती है। पुनर्वितरण परतों में तनाव ±0.3 डिग्री सेल्सियस के तापमान परिवर्तन से भी उत्पन्न हो सकता है। TSV के लिए भी तापीय चुनौतियाँ समान रूप से कठिन हैं, जो TSV तांबे के इलेक्ट्रोप्लेटिंग से उत्पन्न होती हैं। इस प्रक्रिया के दौरान उत्पन्न ऊष्मा, जब तापमान 50 डिग्री सेल्सियस से अधिक हो जाता है, तो वायास के अंदर रिक्त स्थानों (वॉइड्स) के निर्माण का कारण बनती है। इन तापीय चुनौतियों से निपटने के लिए, अर्धचालक निर्माता विशेषीकृत, अनुप्रयोग-विशिष्ट शीतलन प्रणालियों का उपयोग करते हैं।

बहु-क्षेत्र शीतलन — प्रत्येक प्रक्रिया मॉड्यूल के लिए व्यक्तिगत चिलर नियंत्रण

माइक्रोसेकंड स्तर की तापीय प्रतिक्रिया — प्लाज्मा-सक्रियित बॉन्डिंग के दौरान अनियंत्रित तापमान वृद्धि को रोकना

कंपन-मुक्त संचालन — स्टैकिंग के दौरान नैनोमीटर-स्तरीय संरेखण को बनाए रखना

जैसे-जैसे हाइब्रिड बॉन्डिंग 10μम से कम इंटरकनेक्ट पिच की ओर बढ़ती है, और जैसे-जैसे 3D-IC के पावर डेंसिटी में वृद्धि होती है, प्रभावी ऊष्मा निष्कर्षण के लिए इंटरपोज़र्स में एकीकृत तरल शीतलन की आवश्यकता अत्यंत महत्वपूर्ण हो जाती है। यह प्रगति स्केलेबल उन्नत पैकेजिंग के लिए अर्धचालक-ग्रेड शीतलन को आवश्यक बनाती है।

उभरते हुए अनुप्रयोग: क्वांटम कंप्यूटिंग, फोटोनिक्स और EUV मेट्रोलॉजी

सुपरकंडक्टिंग क्यूबिट्स के निर्माण में क्रायोजेनिक शीतलन की आवश्यकता

अतिचालक क्वांटम बिट्स (क्यूबिट्स) के निर्माण के लिए पूर्णतः शून्य के निकट संचालित होने में सक्षम अत्यधिक उन्नत शीतलन प्रणालियों की आवश्यकता होती है। क्वांटम प्रोसेसरों को वातावरण से अलग कर दिया जाना चाहिए और उन्हें 20 मिलीकेल्विन (mK) या उससे कम तापमान पर बनाए रखा जाना चाहिए, ताकि ऊष्मीय शोर को न्यूनतम किया जा सके और क्वांटम बिट्स पर्याप्त रूप से सहसंबद्ध बने रहें, जिससे गणनाओं के दौरान त्रुटियों को कम किया जा सके। पारंपरिक क्रायोजेनिक प्रणालियों में लिथोग्राफी और पतली फिल्म निक्षेपण के दौरान क्रायोजेनिक प्रणालियों के कारण ऊष्मीय भार के प्रबंधन में सीमाएँ होती हैं। डायल्यूशन रेफ्रिजरेटर्स की नवीनतम पीढ़ी में विशिष्ट रूप से डिज़ाइन किए गए ठंडे चरण शामिल हैं, जो कंपन को न्यूनतम करने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं, साथ ही उनमें उन्नत ऊष्मीय कवच भी होता है, जो जोसेफ़सन जंक्शन (JJs) के निर्माण के दौरान तापमान स्थिरता को 0.5 mK से भी बेहतर बनाने में सक्षम है। यह दर्शाता है कि क्यूबिट्स का सहसंबद्धता समय पिछली प्रणालियों की तुलना में 100 गुना तक बढ़ाया जा सकता है, जो व्यावहारिक रूप से महत्वपूर्ण हो सकता है।

ईयूवी स्रोतों और ऑप्टिक्स के लिए उप-0.1°C से कम तापमानों के लिए स्थायित्व आवश्यकताएँ।

गुणवत्तापूर्ण शीतलन तकनीक EUV लिथोग्राफी प्रक्रिया के लिए अत्यावश्यक है। EUV प्रकाश स्रोत शक्तिशाली टिन प्लाज्मा होते हैं, जो लगभग 200 किलोवाट ऊष्मा उत्पन्न करते हैं। शीतलन प्रणालियों को तापमान को 0.1°C से कम बनाए रखना आवश्यक है। EUV लिथोग्राफी प्रक्रिया में परावर्तक प्रकाशिकी शामिल होती है, जहाँ दर्पण तापमान में परिवर्तनों के प्रति अत्यधिक संवेदनशील होते हैं। अतः +0.05°C या -0.05°C का कोई भी तापमान परिवर्तन k=13.5 नैनोमीटर तरंगदैर्ध्य को प्रभावित कर सकता है और प्रकाशिकी को डिफोकस कर सकता है। इससे बचने के लिए, निर्माता प्लाज्मा कक्षों के बहु-चरणीय शीतलन और दर्पणों के लिए बंद-लूप चिलर्स को लागू करते हैं। ये उपाय फोटॉन आउटपुट के स्थिर स्तर और ओवरले की परिशुद्धता सुनिश्चित करते हैं। उद्योग द्वारा वर्णित अनुसार, जब तापमान 0.1°C की सहनशीलता से अधिक हो जाता है, तो ओवरले के संदर्भ में उत्पादन दर 12% से 18% तक कम हो जाती है। अतः 3 नैनोमीटर से कम चिप्स का उत्पादन करने का लक्ष्य रखने वाले निर्माताओं के लिए तापीय प्रबंधन अत्यंत महत्वपूर्ण है।

सामान्य प्रश्न

अर्धचालक निर्माण में तापीय स्थायित्व क्यों महत्वपूर्ण है?

अर्धचालक निर्माण के लिए तापीय स्थायित्व को बनाए रखने के लिए, चिप्स में दोषों को रोकने के लिए छोटे तापमान परिवर्तनों को नियंत्रित करना आवश्यक है, विशेष रूप से नैनोमीटर स्केल पर।

ताप प्रबंधन द्वारा प्रभावित कुछ नवाचारी पैकेजिंग विधियाँ कौन-सी हैं?

2.5D/3D एकीकरण, चिपलेट आर्किटेक्चर और FOWLP जैसी विधियों को सामग्रियों के वार्पिंग से बचने और प्रक्रिया के उत्पादन को अधिकतम करने के लिए तापमान को नियंत्रित करने की आवश्यकता होती है।

क्वांटम कंप्यूटिंग के लिए क्रायोजेनिक शीतलन के क्या लाभ हैं?

अत्यंत कम तापमान पर, तापीय शोर कम हो जाता है और क्वांटम बिट्स (क्यूबिट्स) का कोहेरेंस समय सुधारित होता है, जिससे बेहतर क्वांटम गणनाएँ संभव होती हैं।