EN
Pagrindiniai puslaidininkių klasės aušinimo veiksniai: puslaidininkių gamyba
Temperatūros kontrolė šviesos litografijoje ir įdrėžime
Fotolitografijos ir šalinimo procesų metu sukuriami mikroschemų dizainai. Todėl šie procesai turi būti vykdomi su išskilusia šiluminės stabilumo kontrolė. Net mažiausios temperatūros svyravimai ±0,05 °C gali sukelti kritinių matmenų pokyčius ir neigiamai paveikti gamybos naudingumą. Be to, šilumos dėl paklotų plėtimasis gali sukelti kaukės nesutapimą fotoatspindžio eksponavimo metu. Taip pat nestabilios temperatūros gali sutrikdyti šalintuvų reakcijas, kas ypač problemiška plazminio šalinimo metu. 2023 m. SEMATECH tyrimas nustatė, kad šiluminis poslinkis sukelia 15–22 % daugiau defektų jonų energijos pasiskirstyme žemiau 5 nm mazgų. Norint išvengti šių problemų, gamintojai naudoja specializuotas aušinimo sistemas su skystuoju aušinimu aprūpintais plokščiais laikikliais bei uždaromis azoto aušinimo sistemomis. Nors šios sistemos yra pažangios ir gali palaikyti stabilumą ±0,01 °C, jų taikymas siekiant pasiekti šiluminę kontrolę, kuri išlaikytų bruožų vientisumą žemiau 3 nm, vis dar yra didelė inžinerinė problema puslaidininkių gamybos pramonėje.
Temperatūros valdymo iššūkiai, susiję su jonų implantacija ir cheminio-mechaninio poliravimo (CMP) procesu
Stiprus kontrastas pastebimas dėl šilumos valdymo reikalavimų dviejų modulių – jonų implantacijos ir cheminės mechaninės planarizacijos (CMP). Implanteriai sukelia daugiausia šilumos, paprastai 10–15 kW diapazone, dėl jonų pagreitintuvų. Bet koks plokštelės įkaitimas virš 45 °C sukels rimtų problemų su mimetiškai kontroliuojamais joniniais dopantais bei šilumos sąlygotomis sandūromis. CMP yra priešinga situacija dėl šlurio reakcijų šiluminės jautrios. Bet koks nuokrypis nuo 30 ± 1 laipsnio pakankamas, kad atsirastų šilumos sąlygotos perteklinės oksido augimo ir netolygaus nitrido barjerų nusidėvėjimo. Šiuolaikinėse gamybos įmonėse šiam reiškiniui kontroliuoti naudojamos sudėtingos daugiapakopės aušinimo sistemos. Kriogeniniai šilumos mainytuvai implanterius aušina iki –40 °C, o Peltyje paremtas šlurio temperatūros valdymas užtikrina tikslumą ±0,1 laipsnio ribose. Pramonėje gerai žinoma, kad šių valdymo sistemų ribos lemia 12 %–18 % nuostolius puslaidininkių gamybos našumo srityje. Puslaidininkių klasės aušinimo sistemos bei 3D integracija ir pažangus supakuojimas
Naujausios pakuotės technologijos, tokios kaip 2,5D ir 3D integracija bei čipletų pakuotė, skatina paklausą pažengusiai puslaidininkių aušinimo įrangai. Kai gamintojai supakuoja mažyčius tranzistorius, jie sukuria ekstremalią šilumą – daugiau kaip 1000 vatų kvadratiniam centimetrui. Be aušinimo medžiagos gali išsivystyti, atsiskirti sluoksniai, o tai lemia didžiulius gamybos nuostolius. Aušinimo sprendimai yra būtini, kad būtų išlaikyta struktūros vientisumas montuojant kristalus ir naudojant hibridinį suvirinimą, taip pat kad būtų išlaikyta sistemos matmeninė stabilumas esant ekstremalioms šiluminėms apkrovoms.
Šiluminiai iššūkiai FOWLP ir TSV apdorojime
FOWLP ir TSV susiduria su reikšmingomis šilumos valdymo problemomis. FOWLP atveju epoksidinės formavimo medžiagos vienodas temperatūros pasiskirstymas per 300 mm plokšteles yra būtinas. Net mažiausias ±0,3 °C temperatūros svyravimas sukelia įtempių pasiskirstymo sluoksniuose. TSV taip pat turi lygiai tokias pačias sudėtingas problemas, kylančias dėl TSV vario elektrolizinio nusodinimo. Šio proceso metu išsiskleidžianti šiluma sukelia tuštumų susidarymą perėjimuose, kai temperatūra viršija 50 °C. Šioms šilumos problemoms spręsti puslaidininkių gamintojai naudoja specializuotas, konkrečiam taikymui pritaikytas aušinimo sistemas.
Daugiazoninis aušinimas — atskiras aušintuvo valdymas kiekvienam technologiniam moduliui
Mikrosekundžių šiluminis atsakas — plazminiu būdu aktyvuoto sukibimo metu nekontroliuojamo šilumos kaupimosi prevencija
Bevirpamasis veikimas — nanometrinio tikslumo lygiavimo išlaikymas stumdant sluoksnius
Kai hibridinio sujungimo technologija toliau vystoma link tarpusavio ryšių žingsnio mažesnio nei 10 μm ir kai 3D-IC maitinimo tankis didėja, efektyviam šilumos šalinimui tarpinėse plokštėse reikia integruotos skystosios aušinimo sistemos. Šis tobulėjimas reikalauja puslaidininkių klasės aušinimo sistemų pažangiai, mastuojamai pakavimo technologijai.
Naujos taikymo sritys: kvantiniai kompiuteriai, fotonika ir EUV metrologija
Reikalingas kriogeninis aušinimas gamintant superlaidžiuosius kubitus
Superlaidžių kvantinių bitų (kubitų) gamybai reikia labai sudėtingų aušinimo sistemų, kurios gali veikti arti absoliučiojo nulio. Kvantiniai procesoriai turi būti izoliuoti nuo aplinkos ir palaikomi temperatūroje 20 milikelvinų (mK) arba žemesnėje, kad būtų sumažintas šiluminis triukšmas ir užtikrinta, jog kvantiniai bitai išliktų pakankamai kohorentūs skaičiavimams, siekiant sumažinti klaidas. Įprastos kriogeninės sistemos turi ribotų galimybių valdyti šiluminę apkrovą, kuri kyla dėl kriogeninių sistemų litografijos ir plonų plėvelių nuosėdų metu. Naujausios kartos praskiedimo šaldytuvai yra aprūpinti specialiai sukurtomis šaltomis pakopomis, kurios suprojektuotos taip, kad būtų sumažintos virpesių įtaka, taip pat sudėtinga šilumine apsauga, leidžiančia pasiekti temperatūros stabilumą, kuris Josephsono sandūrų (JS) gamybos metu yra geresnis nei 0,5 mK. Tai rodo, kad kubitų koherezės trukmė gali būti padidinta 100 kartų lyginant su ankstesnėmis sistemomis, kas gali turėti didelės praktinės vertės.
Stabilumo reikalavimai temperatūroms žemesnėms nei –0,1 °C EUV šaltiniams ir optikai.
Aukštos kokybės aušinimo technologija yra būtina EUV litografijos procesui. EUV šviesos šaltiniai yra galingos alavo plazmos, kurios sukuria apie 200 kW šilumos. Šaldymo sistemos turi užtikrinti, kad temperatūra būtų palaikoma žemiau 0,1 °C. EUV litografijos procese naudojamos atspindinčios optinės schemos, kurių veidrodžiai yra itin jautrūs pokyčiams. Todėl bet koks temperatūros pokytis +0,05 °C arba –0,05 °C gali paveikti k = 13,5 nanometrų bangos ilgius ir sukelti optinių elementų defokusavimą. Kad to išvengtų, gamintojai įdiegia daugiapakopį plazmos kamerų aušinimą bei uždarosios grandinės aušintuvus veidrodžiams. Šios priemonės užtikrina nuoseklią fotonų išvesties lygį ir sluoksnių persidengimo tikslumą. Kaip praneša pramonė, kai temperatūra viršija 0,1 °C leistiną nuokrypį, sluoksnių persidengimo naudingumo rodiklis sumažėja nuo 12 % iki 18 %. Todėl gamintojams, kurie siekia gaminti puslaidininkius mažesnius nei 3 nanometrai, šiluminis valdymas yra kritinis.
DUK
Kodėl šiluminė stabilumas yra kritiškai svarbus puslaidininkių gamyboje?
Kad būtų išlaikyta šiluminė stabilumas puslaidininkių gamyboje, mažos temperatūros pokyčiai turi būti kontroliuojami, kad būtų išvengta defektų mikroschemose, ypač nanometrų mastelyje.
Kurie naujoviški pakavimo metodai yra paveikti šilumos valdymo?
Tokios technologijos kaip 2,5D/3D integracija, čipletų architektūra ir FOWLP reikalauja temperatūros kontrolės, kad būtų išvengta medžiagų deformacijos ir padidintos gamybos našumas.
Kokias privalumus kriogeninis aušinimas suteikia kvantiniam skaičiavimui?
Esant itin žemoms temperatūroms sumažėja šiluminis triukšmas ir pagerėja kvantinių bitų (kubitų) koherencijos trukmė, kas leidžia atlikti geriau kvantinius skaičiavimus.