Í hvaða atvinnugreinum er mest byggt á kæli fyrir háþróaða halldæla?

Lykilþættir sem ákvarða kæli fyrir háþróaða halldæla: Framleiðsla á halldælum

Hitastýring í ljósmyndun og rífun

Við ljósmyndunar- og etningarferlið eru mynduð hönnunargögn fyrir örgjörðar. Þess vegna þarf að framkvæma þessi ferli með mjög hári hitastöðugleika. Jafnvel hitabreytingar sem eru svo litlar og ±0,05°C geta leitt til breytinga á mikilvægum mælingum og hafa neikvænan áhrif á framleiðsluútbúð. Auk þess getur hitayfirborðsútvidun valdið misstillingu á myndskjölum við útsetningu á ljósvarnarefni. Þá geta óstöðugir hitastig truflað etningarefnaaðgerðir, sem er sérstaklega vandamál við plasmaetningu. Rannsókn SEMATECH frá árinu 2023 sýndi að hitadreifing væri ástæðan fyrir 15–22% fleiri skemmdum í orku dreifingu jóna undir 5 nm hnútum. Til að koma í veg fyrir slík vandamál nota framleiðendur sérstakar kæliskerfi með vötnunum kældum stöðuhluta og lokaðum kringlufærslukerfum sem nota köfnunarefni til kælingar. Þótt þessi kerfi séu áframhlaupin og geti viðhaldið stöðugleika á ±0,01°C er það samt mikil verkfræðihöll að beita þeim til að ná hitastýringu sem varðveitir eiginleika niður í undir 3 nm í örgjörðarframleiðslu.

Úthverfisvandamál tengd hitastýringu við jónaþéttingu og CMP

Það er áberandi gagnsæi milli þurftarinnar á hitastjórn fyrir tvo móduleina: íonafgeisla og efni- og vélræna jafnvægjun (CMP). Íonafgeislar eru ábyrgir fyrir mestu hitaprodukti, venjulega í bili 10–15 kW, vegna íonhröðunarinnar. Hver umhverfis hitastig yfir 45 gráður Celsius veldur alvarlegum vandamálum með íonafkveðinum sem eru stýrð með mikilvægu nákvæmni og við hitavirkða tengingar. CMP er öfugt vegna hitanæmis á slurrybrögðum. Allur frávikur frá 30 ± 1 gráðum er nægjanlegur til að valda hitavirkðri ofuróxíðvexti og ójöfnu sliti á nitríðbarriérum. Nútíma framleiðslustöðvar nota flókna kælingarkerfi með mörgum svæðum til að stjórna þessum áhrifum. Kryógen kælihitaskiptar kæla íonafgeisla niður í –40 gráður Celsius og halda Peltier-slurry í hitabili á 0,1 gráðu. Í atvinnulífinu er vel þekkt að markmið þessara stjórnkerfa leida til 12–18% tapa á framleiðslueiningum í hálfleiðarframleiðslu. Hálfleiðarstigskæling og 3D-samsetning og áframþróað pakkan

Nýjustu pakkuðusteknikurnar, svo sem 2,5D- og 3D-samsetning og pakkaðir chiplets, eru að vekja eftir því að nota háþróaða kælingu í hálfleiðurum. Þegar framleiðendur pakka litla rafhlutatransistora mynda þeir mikla hita yfir 1000 vatt á ferningscentimeter. Án kælingar geta efnið breyst og skilist í lag og lög, sem leiðir til mikilla framleiðslutapar. Kælulausnir eru mikilvægar til að viðhalda heildarmynduninni í samsetningu á die og í blönduðum tengingum, og til að viðhalda stærðarstöðugleika kerfisins undir mjög háum hitabelástunum.

Hituvandamál við FOWLP- og TSV-vinnslu

FOWLP og TSV stendu frammi fyrir mikilvægum áskorunum í hitastjórnun. Fyrir FOWLP krefst eplóíð-moldunar efni jafna hitadreifingar yfir 300 mm vefi. Spennur í endurdeilingarlögum uppistanda jafnvel við hitabreytingu af +/- 0,3 gráðum Celsius. TSV hefur jafnframt áskorunalegar vandamál sem leiða til elektroplötunar á TSV-kopri. Hitinn sem myndast í þessum ferli veldur holur að myndast inni í gegnumholum þegar hitastiginn fer yfir 50 gráður Celsius. Til að leysa þessar hitatengdar áskoranir nota halbreytistöðvar sérstakar, fyrir ákveðin notkun hönnuðar kælisýstur.

Kæling í margum svæðum — Einstök stjórnun á kælilínu fyrir hvert ferlisvélbúnaðarhluta

Hitamótun í mikrosekúndum — Koma í veg fyrir óstjórnuðu ástandi við plösumvirku tengingu

Virksemi án skjálfta — Viðhalda nánometra nákvæmni við sameiningu

Á meðan hybrid bonding fer áfram að ná milli tenginga með minni bilum en 10 μm, og á meðan aflþéttleiki 3D-ICs hækkar, verður nauðsynlegt að innbyggja væskukælingu í millilag (interposers) til þess að fjarlægja hita á skilvirkan hátt. Þessi þróun krefst kælisjávar sem hentar halda í stórum skala fyrir framfarin pakkaðgerð.

Nýjum notkunarmöguleikum: kvantareiknivél, ljósleiðslufræði og EUV-mátingarfræði

Nauðsyn kælisjávar við framleiðslu yfirleiðandi kvötu

Framleiðsla á yfirleitandi kvöntabita (qubit) krefst mjög háþróaðra kæliskerfa sem eru fær um að vinna við náttúrulega núllpunktinn. Kvöntaforritunartækin verða að vera fullkomlega skilin frá umhverfinu og halda við hitastig á 20 millikelvin (mK) eða lægra til að lágmarka hitastyrjumyndun og tryggja að kvöntabitarnir haldist nógu samræmdir fyrir útreikninga til að lágmarka villa. Hefðbundin kæliskerfi hafa takmarkanir í því að stýra hitabelastunni vegna kæliskerfanna á meðan framkvæmd er litógrafíu og þunnfilmahlegu. Nýjustu kæliskerfurnar af dreifidiluðu gerð (dilution refrigerators) eru útbúin með sérsniðnum köldum stigum sem hannaðir eru til að lágmarka titringa, ásamt fjölþættum hitaskjöldum sem leyfa betri hitastöðugleika á meðan Josephson-sambönd (JJs) eru framleidd, með hitastöðugleika betri en 0,5 mK. Þetta sýnir að samræmis tíminn fyrir kvöntabitana má lengja um þátttölu 100 miðað við fyrrverandi kerfi, sem getur haft mikilvæga notagildi í raunverulegum forritum.

Stöðugildiskröfur fyrir hitastig lægra en undir 0,1°C fyrir EUV-keldur og ljósmyndunarkerfi.

Góð kælitekníka er nauðsynleg fyrir EUV-líthógrafíuferlið. EUV-lichtgjafar eru öflug tinplösmur sem framleiða um það bil 200 kW af hita. Kæliskerfið verður að tryggja að hitastig sé viðhaldið undir 0,1°C. EUV-líthógrafíuferlið felur í sér endurspeglunaraðferð þar sem speglarnir eru mjög viðkvæmir fyrir breytingum. Þess vegna gæti einhver hitabreyting á +0,05°C eða -0,05°C áhrif á k=13,5 nanometer bylgjulengdina og valda ósamskiptum í endurspeglunaraðferðinni. Til að koma í veg fyrir þetta innleida framleiðendur margstigakælingu á plösmusvæðinu og lokaða kælivatnsskerfi til speglanna. Þessar aðgerðir tryggja jafna ljósvarpshraða og nákvæmni yfirlaganna. Eins og tilkynnt er af atvinnugreininni munu framleiðsluhlutföll minnka um 12–18% varðandi yfirlag ef hitastigið fer yfir 0,1°C-tolerance. Þess vegna er hitastjórnun mikilvæg fyrir framleiðendur sem ætla að framleiða örgjörður undir 3 nanometra.

Algengar spurningar

Af hverju er hitastöðugleiki mikilvægur í framleiðslu hálfleiðara?

Til að viðhalda hitastöðugleika í framleiðslu hálfleiðara verða litlir hitabreytingar að vera stýrðar til að koma í veg fyrir galla í örgjörðum, sérstaklega á nanómetra skalanum.

Hverjar eru sumar nýjungar í umbunðaraðferðum sem hafa áhrif af hitastjórnun?

Aðferðir eins og 2,5D/3D samsetning, chiplet-arkitektúra og FOWLP þurfa að stýra hitastigi til að koma í veg fyrir brot á efnum og að hámarka framleiðsluárangur ferlisins.

Hverjar eru ávinningar kryðgæsluviðhalds fyrir kvantareikning?

Við mjög lága hitastig minnkar hitagallið og lengist samhengis tíminn hjá kvantabits (qubits), sem gerir betri kvantareikninga mögulega.