EN
Galvenie pusvadītāju klases dzesēšanas faktori: pusvadītāju ražošana
Termiskā kontrole fotolitogrāfijā un ķīmiskajā apstrādē
Fotolitogrāfijas un ķīmiskās izēšanas procesos tiek izveidoti čipa dizaini. Tāpēc šiem procesiem ir jānotiek ar ārkārtīgu termisko stabilitāti. Pat temperatūras svārstības tikai ±0,05 °C apmērā var izraisīt kritisku izmēru izmaiņas un negatīvi ietekmēt ražošanas iznākumu. Turklāt siltuma substrāta izplešanās var izraisīt maskas nobīdi fotoatspoguļojuma laikā. Vēl vairāk, nestabila temperatūra var traucēt ķīmisko reakciju etchantiem, kas īpaši problēmātiski ir plazmas izēšanā. 2023. gada SEMATECH pētījums konstatēja, ka termiskais nobīdis ir iemesls 15–22 % vairāk defektiem jonu enerģijas sadalījumā zem 5 nm mezgliem. Lai izvairītos no šīm problēmām, ražotāji izmanto specializētas dzesēšanas sistēmas ar šķidruma dzesētiem čukiem un slēgtas cikla slāpekļa dzesēšanas sistēmas. Lai gan šīs sistēmas ir augsti attīstītas un spēj nodrošināt stabilitāti ±0,01 °C robežās, to pielietošana, lai sasniegtu termisko kontroli un saglabātu raksturīgo elementu integritāti zem 3 nm, joprojām ir liela inženierzinātniska izšķirība pusvadītāju ražošanas nozarē.
Temperatūras kontroles problēmas, kas saistītas ar jona implantāciju un CMP
Ir ievērojams kontrasts starp divu moduļu — jonu implantācijas un ķīmiski mehāniskās plakanošanas (CMP) — prasībām attiecībā uz siltuma vadīšanu. Implantētāji rada visvairāk siltuma, parasti diapazonā no 10 līdz 15 kW, jo ionu paātrinātāji ir ļoti enerģijas patērējoši. Jebkura krama temperatūras paaugstināšanās virs 45 grādiem pēc Celsija izraisīs nopietnas problēmas ar mimētiski kontrolētajiem jonu dopantiem un termiski inducētajām pārejām. CMP procesam ir pretēja situācija, jo šis process ir ļoti jutīgs pret temperatūras svārstībām, kas ietekmē šļakatas reakcijas. Jebkura novirze no 30 ± 1 grādiem pēc Celsija ir pietiekama, lai izraisītu termiski inducētu pārmērīgu oksīda augšanu un nevienmērīgu ni-trīda barjeras nodilumu. Vismodernākās ražošanas iekārtas izmanto sarežģītu daudzzonu dzesēšanas sistēmu, lai šo efektu kontrolētu. Kriogēnās siltummaiņas ierīces dzesē implantētājus līdz −40 grādiem pēc Celsija, bet Peltyera principa šļakatas temperatūru uztur 0,1 grādu precizitātē. Industrijā ir labi zināms, ka šo kontroles robežas rezultātā pusvadītāju ražošanā notiek 12 % līdz 18 % ražības zudums. Pusvadītāju klases dzesēšanas sistēmas un 3D integrācija un uzlabotā iepakošana
Jaunākās iepakojuma tehnoloģijas, piemēram, 2,5D un 3D integrācija, kā arī čipletu iepakošana, veicina pieprasījumu pēc augstākā līmeņa dzesēšanas risinājumiem pusvadītāju jomā. Kad ražotāji iepako mazus tranzistorus, rodas ļoti liels siltums — vairāk nekā 1000 vati uz kvadrātcentimetru. Bez dzesēšanas materiāli var izkropļoties, atdalīties viens no otra un slāņi var atdalīties, kas noved pie milzīgiem ražošanas zaudējumiem. Dzesēšanas risinājumi ir būtiski, lai saglabātu struktūras integritāti, montējot kristālplāksnītes un izmantojot hibrīdsavienojumu, kā arī lai nodrošinātu sistēmas izmēru stabilitāti ārkārtīgi lielu termisko slodžu apstākļos.
Termiskās problēmas FOWLP un TSV apstrādē
FOWLP un TSV saskaras ar būtiskām termiskās pārvaldības problēmām. FOWLP gadījumā epoksīda lietņa maisījumam nepieciešama vienmērīga temperatūras izvietošana visā 300 mm silīcija plāksnītē. Saspīlējumi pārdalīšanas slāņos rodas pat tad, ja temperatūras svārstības ir tikai ±0,3 °C. TSV gadījumā līdzīgi sarežģītas problēmas rodas no TSV vara elektroplākšanas procesa. Šajā procesā radītā siltuma dēļ temperatūrai pārsniedzot 50 °C, caurulītās veidojas tukšumi. Lai risinātu šīs termiskās problēmas, pusvadītāju ražotāji izmanto specializētus, pielietojumam specifiskus dzesēšanas sistēmu.
Daudzzonu dzesēšana — atsevišķa dzesētāja vadība katram procesa modulim
Mikrosekunžu termiskā reakcija — plazmas aktivētās saistīšanas laikā nekontrolētas temperatūras paaugstināšanās novēršana
Vibrāciju brīva darbība — nanometru mēroga precīzās izlīdzināšanas saglabāšana kārtošanas laikā
Kad hibrīdsaistīšana virzās uz starpsavienojumu soliem zem 10 μm un kad 3D-IC jaudas blīvumi palielinās, kļūst kritiski svarīgi integrēt šķidrās dzesēšanas sistēmas starpplāksnēs, lai efektīvi novērstu siltumu. Šis process prasa pusvadītāju klases saldēšanu mērogojamai modernai iepakojuma tehnoloģijai.
Jaunās lietojumprogrammas: kvantu aprēķināšana, fotonika un EUV metroloģija
Nepieciešamība pēc kriogēnās dzesēšanas supravadītspējīgo kvantu bitu ražošanā
Supravadošo kvantu bitu (kvantu biti) ražošanai ir nepieciešamas ļoti sarežģītas dzesēšanas sistēmas, kas spēj darboties tuvu absolūtajam nulles punktam. Kvantu procesoriem jābūt izolētiem no vides un jāuztur temperatūrā 20 milikelvinu (mK) vai zemāk, lai minimizētu termisko troksni un nodrošinātu, ka kvantu biti paliek pietiekami koherenti aprēķiniem, lai samazinātu kļūdas. Parastās kriogēnās sistēmas ir ierobežotas, pārvaldot siltuma slodzi kriogēnajās sistēmās litogrāfijas un plāno kārtiņu nogulsnēšanas laikā. Jaunākās paaudzes dilūcijas ledusskapji aprīkoti ar pielāgotām aukstajām pakāpēm, kas izstrādātas, lai minimizētu vibrācijas, kā arī ar sarežģītu termisko ekrānu, kas ļauj sasniegt temperatūras stabilitāti Josonsona pāreju (JP) izgatavošanas laikā labāku par 0,5 mK. Tas liecina, ka kvantu bitu koherences laiku var pagarināt 100 reizes salīdzinājumā ar iepriekšējām sistēmām, kas var būt lielas praktiskas vērtības.
Stabilitātes prasības temperatūrām zem –0,1 °C EUV avotiem un optikai.
Augstas kvalitātes dzesēšanas tehnoloģija ir būtiska EUV litogrāfijas procesam. EUV gaismas avoti ir jaudīgas alvas plazmas, kas rada aptuveni 200 kW siltuma. Dzesēšanas sistēmām jānodrošina, ka temperatūra tiek uzturēta zem 0,1 °C. EUV litogrāfijas procesā tiek izmantotas atstarojošas optiskās sistēmas, kur spoguļi ir ārkārtīgi jutīgi pret izmaiņām. Tāpēc jebkura temperatūras izmaiņa +0,05 °C vai −0,05 °C var ietekmēt k=13,5 nanometru viļņa garumus un izraisīt optisko sistēmu defokusu. Lai to novērstu, ražotāji ievieš daudzpakāpju dzesēšanu plazmas kamerās un slēgtas cikla dzesētājus spoguļiem. Šīs pasākumi nodrošina stabila fotona izvades līmeni un pārklājumu precizitāti. Kā norādīts no rūpniecības puses, ja temperatūra pārsniedz 0,1 °C pieļaujamo novirzi, pārklājumu iznākums samazināsies par 12 % līdz 18 %. Tāpēc ražotājiem, kuri vēlas ražot čipus ar izmēru mazāku par 3 nanometriem, termiskā pārvaldība ir kritiska.
BUJ
Kāpēc termiskā stabilitāte ir kritiska pusvadītāju ražošanā?
Lai saglabātu termisko stabilitāti pusvadītāju ražošanā, jākontrolē nelielas temperatūras izmaiņas, lai novērstu defektus čipos, īpaši nanometru mērogā.
Kādas ir dažas inovatīvās iepakojuma metodes, kas ietekmētas ar termisko pārvaldību?
Metodes, piemēram, 2,5D/3D integrācija, čipletu arhitektūra un FOWLP, prasa temperatūras kontroli, lai novērstu materiālu izkropļošanos un maksimāli palielinātu procesa iznākumu.
Kādas priekšrocības kriogēnā dzesēšana nodrošina kvantu aprēķinos?
Ļoti zemās temperatūrās samazinās termiskais troksnis un uzlabojas kvantu bitu (kubitu) koherences laiks, kas ļauj veikt efektīvākus kvantu aprēķinus.