EN
Pemacu Utama Penyejukan Tahap Semikonduktor: Pembuatan Semikonduktor
Kawalan Suhu dalam Fotolitografi dan Pengukiran
Semasa proses fotolitografi dan pengukiran, rekabentuk cip dibuat. Oleh itu, proses-proses ini perlu dijalankan dengan kestabilan haba yang sangat tinggi. Malah, ayunan suhu sekecil ±0,05°C pun boleh menyebabkan perubahan dimensi kritikal dan memberi kesan negatif terhadap hasil pengeluaran. Selain itu, pengembangan substrat akibat haba boleh menyebabkan ketidakselarasan topeng semasa pendedahan resist foto. Tambahan pula, ketidakstabilan suhu boleh mengganggu tindak balas bahan pengukir, yang khususnya menjadi masalah dalam pengukiran plasma. Satu kajian SEMATECH 2023 mendapati bahawa hanyutan haba merupakan punca peningkatan cacat sebanyak 15%–22% dalam taburan tenaga ion di bawah nod 5nm. Untuk mengelakkan isu-isu ini, pengilang menggunakan sistem penyejukan khas dengan pengapit berpendingin cecair serta sistem berpendingin nitrogen berkitar tertutup. Walaupun sistem-sistem ini canggih dan mampu mengekalkan kestabilan sehingga ±0,01°C, penerapan sistem-sistem ini untuk mencapai kawalan haba yang diperlukan bagi mengekalkan integriti ciri di bawah 3nm masih merupakan cabaran kejuruteraan besar dalam industri pembuatan semikonduktor.
Cabaran kawalan suhu yang berkaitan dengan Penyisipan Ion dan CMP
Terdapat kontras ketara dari segi keperluan pengurusan haba bagi dua modul iaitu Implan Ion dan Perataan Mekanikal Kimia (CMP). Alat implan bertanggungjawab terhadap penjanaan haba paling tinggi, biasanya dalam julat 10–15 kW disebabkan oleh pemecut ion. Sebarang pemanasan wafer di atas 45 darjah Celsius akan menyebabkan masalah serius berkaitan dopan ion yang dikawal secara mimetik dan sambungan yang diaruhkan secara terma. Sebaliknya, proses CMP sangat sensitif terhadap suhu akibat tindak balas slurinya. Sebarang penyimpangan daripada 30 ± 1 darjah Celsius sudah cukup untuk menghasilkan pertumbuhan oksida berlebihan yang diaruhkan secara terma dan kausan tidak sekata pada halangan nitrida. Fasiliti fabrikasi terkini menggunakan sistem penyejukan kompleks dengan pelbagai zon untuk mengurus kesan ini. Penukar haba kriogenik akan menyejukkan alat implan hingga –40 darjah Celsius, manakala kawalan slurry berbasis Pelitier dikekalkan dalam julat 0.1 darjah Celsius. Dalam industri ini, adalah umum diketahui bahawa had kawalan ini mengakibatkan kehilangan hasil sebanyak 12% hingga 18% dalam fabrikasi semikonduktor. Penyejukan Tahap Semikonduktor dan Integrasi 3D serta Pembungkusan Lanjutan
Teknik pembungkusan terkini seperti integrasi 2.5D dan 3D serta pembungkusan ciplet sedang mendorong permintaan bagi penyejukan lanjutan dalam sektor semikonduktor. Apabila pengilang membungkus transistor yang sangat kecil, mereka menghasilkan haba ekstrem melebihi 1000 watt per sentimeter persegi. Tanpa penyejukan, bahan-bahan boleh melengkung, terkelupas, dan lapisan-lapisannya berpisah, yang menyebabkan kerugian pengeluaran yang besar. Penyelesaian penyejukan adalah kritikal untuk mengekalkan integriti struktur semasa pemasangan die dan ikatan hibrid, serta untuk mengekalkan kestabilan dimensi sistem di bawah beban haba ekstrem.
Cabaran Termal dalam Pemprosesan FOWLP dan TSV
FOWLP dan TSV menghadapi cabaran pengurusan haba yang ketara. Bagi FOWLP, sebatian pembentukan epoksi memerlukan taburan suhu yang seragam merentasi wafer berdiameter 300 mm. Tegasan dalam lapisan pengedaran semula berlaku walaupun hanya dengan variasi suhu sebanyak ±0.3 darjah Celsius. TSV pula menghadapi isu yang sama mencabar akibat proses penyaduran elektro kuprum TSV. Haba yang dihasilkan semasa proses ini menyebabkan terbentuknya ruang hampa di dalam via apabila suhu melebihi 50 darjah Celsius. Untuk mengatasi cabaran haba ini, pengilang semikonduktor menggunakan sistem penyejukan khusus yang direka khas mengikut aplikasi.
Penyejukan pelbagai zon — Kawalan pendingin individu bagi setiap modul proses
Tindak balas haba berskala mikrosaat — Mencegah kehilangan kawalan semasa ikatan yang diaktifkan plasma
Operasi tanpa getaran — Menjaga penyelarasan berskala nanometer semasa proses susunan bertingkat
Apabila pengikatan hibrid maju ke arah jarak sambungan di bawah 10 μm, dan apabila ketumpatan kuasa IC-3D meningkat, keperluan terhadap penyejukan cecair terintegrasi dalam interposer untuk pembuangan haba yang berkesan menjadi kritikal. Perkembangan ini mensyaratkan penyejukan tahap semikonduktor bagi pembungkusan lanjutan yang boleh diskalakan.
Aplikasi Baharu: Komputasi Kuantum, Fotonik, dan Metrologi EUV
Keperluan Penyejukan Kriogenik dalam Pembuatan Qubit Superkonduktor
Pembuatan bit kuantum superkonduktor (qubit) memerlukan sistem penyejukan yang sangat canggih, mampu beroperasi pada suhu mendekati sifar mutlak. Pemproses kuantum mesti diasingkan daripada persekitaran dan dikekalkan pada suhu 20 milikelvin (mK) atau lebih rendah untuk meminimumkan hingar terma serta memastikan qubit kuantum kekal cukup koheren bagi menjalankan pengiraan dengan ralat yang minimum. Sistem kriogenik konvensional mempunyai had dalam menguruskan beban terma akibat sistem kriogenik semasa litografi dan pemendapan lapisan nipis. Generasi terkini peti sejuk pencairan dilengkapi dengan peringkat sejuk tersuai yang direka khas untuk meminimumkan getaran, serta perisai terma yang canggih yang membolehkan kestabilan suhu semasa pembuatan simpang Josephson (JJs) mencapai tahap lebih baik daripada 0.5 mK. Ini menunjukkan bahawa masa koherensi qubit boleh dipanjangkan sehingga 100 kali ganda berbanding sistem sebelumnya, yang memberikan nilai praktikal yang signifikan.
Keperluan Kestabilan untuk Suhu Lebih Rendah daripada Sub-0.1°C bagi Sumber dan Optik EUV.
Teknologi penyejukan berkualiti adalah penting bagi proses litografi EUV. Sumber cahaya EUV adalah plasma timah yang berkuasa tinggi yang menghasilkan lebih kurang 200 kW haba. Sistem penyejukan mesti memastikan suhu dikekalkan di bawah 0.1°C. Proses litografi EUV melibatkan optik pantulan di mana cermin-cermin tersebut amat sensitif terhadap perubahan. Oleh itu, sebarang perubahan suhu sebanyak +0.05°C atau -0.05°C boleh menjejaskan panjang gelombang k=13.5 nanometer dan menyebabkan optik menjadi tidak fokus. Untuk mengelakkan perkara ini, pengilang melaksanakan penyejukan berperingkat bagi ruang plasma dan pendingin berkitar tertutup ke cermin-cermin. Langkah-langkah ini memastikan tahap output foton yang konsisten serta ketepatan tindih (overlays). Seperti yang dilaporkan oleh industri, hasil pengeluaran akan turun antara 12% hingga 18% dari segi tindih apabila suhu melebihi toleransi 0.1°C. Oleh itu, bagi pengilang yang bertujuan menghasilkan cip di bawah 3 nanometer, pengurusan haba adalah kritikal.
Soalan Lazim
Mengapa kestabilan terma penting dalam pembuatan semikonduktor?
Untuk mengekalkan kestabilan terma dalam pembuatan semikonduktor, perubahan suhu yang kecil mesti dikawal bagi mengelakkan cacat pada cip, terutamanya pada skala nanometer.
Apakah beberapa kaedah pembungkusan inovatif yang dipengaruhi oleh pengurusan terma?
Kaedah seperti integrasi 2.5D/3D, arkitektur chiplet, dan FOWLP memerlukan kawalan suhu bagi mengelakkan kelengkungan bahan dan memaksimumkan hasil proses.
Apakah kelebihan penyejukan kriogenik terhadap komputasi kuantum?
Pada suhu yang sangat rendah, hingar terma berkurangan dan masa koherensi bit kuantum (qubit) meningkat, membolehkan komputasi kuantum yang lebih baik.