Које индустрије највише зависе од полупроводничког хлађења?

Кључни покретачи хлађења полупроводника: Производња полупроводника

Термичка контрола у фотолитографији и ецу

Током фотолитографије и ецирања, стварају се дизајне чипова. Зато се ови процеси морају спроводити са изузетном топлотном стабилношћу. Чак и температурне флуктуације мале од ± 0,05 °C могу довести до критичних промена димензија и негативно утицати на приносе производње. Поред тога, експанзија топлотног субстрата може изазвати неправилно усклађивање маске током експозиције фоторезисту. Даље, нестабилне температуре могу пореметити реакције етанти, што је посебно проблематично у плазменој етанци. Студија Сематхеха 2023. године открила је да је топлотни дриф узроковао 15%-22% више дефеката у дистрибуцији енергије јона испод 5 нм чворова. Да би се избегли ови проблеми, произвођачи користе специјализоване фрижидерске системе са течно хлађеним чековима и системом са затвореним циклом са азотним хлађењем. Иако су ови системи напредни и могу одржавати стабилност од ± 0,01 °C, примена ових система за постизање топлотне контроле како би се сачувао интегритет карактеристика испод 3 нм још увек је велики инжењерски изазов у индустрији производње полупроводника.

Проблеми контроле температуре повезани са јонским имплантацијом и ЦМП-ом

Постоји јака контраст са захтевима за топлотну обраду за два модула ионске имплантације и хемијске механичке планаризације (ЦМП). Имплантатори су одговорни за највећу генерацију топлоте, обично у распону од 1015 kW због јонских убрзавача. Свако загревање вафера изнад 45 степени Целзијуса изазива озбиљне проблеме са миметички контролисаним јонским допантима и топлотно индукованим спојевима. ЦМП је супротна због топлотне осетљивости реакција луге. Било које одступање од 30 +/- 1 степени је довољно да резултира топлотним изазваним вишком оксида и неравномерним знојем нитридних баријера. За управљање овим ефектом, најсавременији производни објекти користе комплексан хладилник са многим зонама. Криогенски разменици топлоте ће охладити имплантаторе на -40 степени Целзијуса, и контролисати Пелтијев лур до распона од 0,1 степени. У индустрији је добро познато да ограничења ових контрола резултирају губитком приноса од 12% до 18% у производњи полупроводника.

Најновије технике паковања као што су 2.5Д и 3Д интеграција и паковање чиплета покрећу потражњу за напредним хлађивањем у полупроводницима. Када произвођачи упаковају мале транзисторе, они производе екстремну топлоту од више од 1000 вата по квадратном центиметру. Без хлађења, материјали се могу искривити и деламиновати и одвојити слојеве, што доводи до огромних губитака у производњи. Рефрижерациона решења су од кључног значаја за одржавање интегритета структуре у монтажу матрица и хибридног везања, и за одржавање димензионалне стабилности система под екстремним топлотним оптерећењима.

Тхермални изазови у ПОВЛП и ТСВ обради

ФОВЛП и ТСВ се суочавају са значајним изазовима у управљању топлотом. За ФОВЛП, епоксидно обликујуће једињење захтева равномерну расподелу температуре преко 300 мм плочица. Напреге у редистрибуционим слојевима се јављају чак и од +/- 0,3 степени Целзијуса температурне варијације. ТСВ има једнако изазовне проблеме који произилазе из електропластера ТСВ бакра. Топла која се ствара током овог процеса доводи до стварања празнина унутар виаса када температура пређе 50 степени Целзијуса. Да би се суочили са овим топлотним изазовима, произвођачи полупроводника користе специјализоване хладилове системе специфичне за апликације.

Уколико је потребно, може се користити и за регенерирање.

Микросекунди топлотне реакције спречавање бегња током плазменоактивисаног везивања

Операција без вибрација Очување равнања у нанометричкој мери током спајања

Како хибридна веза напредује према међусобној површини испод 10 мкм, и како се густине снаге 3Д-ИЦ-а повећавају, потреба за интегрисаним хлађењем течности у интерпозерима за ефикасно уклањање топлоте постаје критична. Оваква прогресија захтева хлађење полупроводничког нивоа за скалибилан напредни паковање.

Појављају се апликације: квантно рачунање, фотоника и метрологија ЕУВ-а

Потреба за криогенским хлађењем у производњи суперпроводних кубита

Производња суперпроводничких квантних битова (кубитова) захтева високо софистициране хладне системе способне да раде близу апсолутне нуле. Квантни процесори морају бити изоловани од околине и одржавани на температури од 20 миликелвина (mK) или ниже како би се минимизовала топлотна бука и осигурало да квантни битови остану довољно кохерентни за израчунавања како би се минимизирале грешке. Конвенционални криогени системи имају ограничења у управљању топлотним оптерећењем због криогених система током литографије и депозирања танког филма. Најновија генерација хладилника за разређивање долази са прилагођеним хладним фазама које су дизајниране да минимизују вибрације, као и софистицирано топлотно штитило које омогућава да температура стабилности током израде Јозефсонових спојника (ЈЈ) буде боља од 0,5 мК. Ово показује да се време кохеренције кубита може продужити за фактор 100 у поређењу са претходним системима, што може бити од значајне практичне вредности.

Стабилност за температуре ниже од -0,1°C за изворе и оптику EUV.

Квалитетна технологија хлађења је од суштинског значаја за процес литографије ЕУВ-а. Извори светлости ЕСВ су моћне плазме од камена које генеришу око 200 кВт топлоте. Системи хлађења морају осигурати да се температуре одржавају испод 0,1 °C. Процес литографије ЕУВ укључује рефлекторну оптику у којој су огледала изузетно осетљива на промене. Стога, свака промена температуре од +0,05°C или -0,05°C може утицати на таласне дужине од k=13,5 нанометара и узроковати дефокусирање оптике. Да би се то избегло, произвођачи имплементирају вишестепено хлађење плазмених комора и хладилаца у затвореном циклусу за огледала. Ове мере осигуравају конзистентан ниво излаза фотона и прецизност преклапа. Као што је пријавила индустрија, приноси ће се смањити између 12% и 18% у односу на преклапања када су температуре изнад толеранције од 0,1 °C. Стога је за произвођаче који желе да производе чипове испод 3 нанометра, топлотно управљање од критичне важности.

Често постављене питања

Зашто је топлотна стабилност критична у производњи полупроводника?

Да би се одржала топлотна стабилност за производњу полупроводника, мале температурне промене морају бити контролисане како би се спречили дефекти чипова, посебно за нанометарску скалу.

Које су неке иновативне методе паковања под утицајем топлотног управљања?

Методе као што су 2.5D/3D интеграција, архитектура чиплета и ФОВЛП морају да контролишу температуру како би се избегло искривљење материјала и да се максимизира добитак процеса.

Које предности криогенско хлађење пружа квантним рачунарствима?

На изузетно ниским температурама, топлотна бука се смањује и време кохеренције квантних бита (кубита) се побољшава, омогућавајући боље квантне рачунање.