EN
Huvuddrivkrafter för kylning av halvledargrad: Halvledartillverkning
Temperaturreglering vid fotolitografi och ätning
Under fotolitografi- och ätprocesserna skapas kretskortens design. Därför måste dessa processer utföras med extrem termisk stabilitet. Redan temperatursvängningar så små som ±0,05 °C kan leda till kritiska dimensionförändringar och påverka produktionens utbyte negativt. Dessutom kan värmeexpansion av substratet orsaka maskfeljustering under fotolackets exponering. Vidare kan instabila temperaturer störa reaktionerna hos ätningsmedel, vilket särskilt är problematiskt vid plasmaätning. En studie från SEMATECH år 2023 fann att termisk drift var orsaken till 15–22 % fler defekter i energifördelningen för joner under 5 nm-noder. För att undvika dessa problem använder tillverkare specialiserade kylsystem med vätskekylta chuckar samt slutna kvävekylda system. Även om dessa system är avancerade och kan upprätthålla en stabilitet på ±0,01 °C är det fortfarande en storslagen ingenjörsutmaning inom halvledarindustrin att tillämpa dessa system för att uppnå den termiska kontroll som krävs för att bevara strukturens integritet under 3 nm.
Utmaningar kopplade till temperaturstyrning vid jonimplantation och kemisk-mekanisk polering
Det finns en påfallande kontrast när det gäller kraven på värmehantering för de två modulerna jonimplantation och kemisk-mekanisk planering (CMP). Implanteringsutrustning är ansvarig för den största värmeutvecklingen, vanligtvis i intervallet 10–15 kW på grund av jonacceleratorerna. Om temperaturn på kiselskivan stiger över 45 grader Celsius uppstår allvarliga problem med jonimpregnering som kontrolleras mimetiskt samt med termiskt inducerade övergångar. CMP är tvärtom mycket känsligt för temperaturändringar på grund av slurryns termiska känslighet. En avvikelse från 30 ± 1 grad är tillräcklig för att orsaka termiskt inducerad överskottsoxidtillväxt samt ojämn nötning av nitridbarriärerna. Moderna halvledarfabriker använder komplex kylutrustning med flera zoner för att hantera denna effekt. Kryogeniska värmeväxlare sänker temperaturen för implanteringsutrustningen till −40 grader Celsius och reglerar Peltier-styrda slurrysystem inom ett intervall på 0,1 grad. Inom branschen är det väl känt att gränserna för dessa regleringar leder till en utbytesförlust på 12–18 % i halvledartillverkningen. Halvledargradskylning samt 3D-integration och avancerad förpackning
De senaste förpackningsteknikerna, såsom 2,5D- och 3D-integration samt förpackning av chiplets, driver efterfrågan på avancerad kylning inom halvledarindustrin. När tillverkare förpackar mikroskopiska transistorer genereras extrema värmebelastningar på över 1000 watt per kvadratcentimeter. Utan effektiv kylning kan material deformeras, delaminera och lager separeras, vilket leder till stora produktionsförluster. Kylningslösningar är avgörande för att bibehålla strukturens integritet vid montering av dies och hybridbindning samt för att säkerställa systemets dimensionsstabilitet under extrema termiska belastningar.
Termiska utmaningar vid FOWLP- och TSV-bearbetning
FOWLP och TSV står inför betydande utmaningar vad gäller termisk hantering. För FOWLP kräver epoxihartsformningsmassan en jämn temperaturfördelning över 300 mm-wafer. Spänningar i omfördelningslager uppstår redan vid en temperaturvariation på ±0,3 grader Celsius. TSV har lika utmanande problem som härrör från elektropläteringen av TSV-koppar. Värmen som genereras under denna process leder till att tomrum bildas inuti viaerna när temperaturen överskrider 50 grader Celsius. För att hantera dessa termiska utmaningar använder halvledartillverkare specialiserade, applikationsspecifika kylsystem.
Kylning med flera zoner — Individuell kylaggregatsstyrning per processmodul
Mikrosekunders termisk svarstid — Förhindrar okontrollerad uppvärmning vid plasmaaktiverad fogning
Vibrationsfri drift — Bevarar nanometerskalig justering under stapling
När hybridbindning utvecklas mot interkonnektpitcher under 10 μm och när effekttätheten i 3D-IC:er ökar, blir behovet av integrerad vätskekylning i interposers för effektiv värmeavledning kritiskt. Denna utveckling kräver halvledargradig kyling för skalbar avancerad förpackning.
Uppkommande tillämpningar: kvantdatorer, fotonik och EUV-metrologi
Behov av kryogenisk kyling vid tillverkning av supraledande kvantbitar
Tillverkningen av supraledande kvantbitar (qubits) kräver mycket sofistikerade kylsystem som kan fungera nära absolut noll. De kvantmekaniska processorerna måste isoleras från omgivningen och hållas vid en temperatur på 20 millikelvin (mK) eller lägre för att minimera termisk störning och säkerställa att kvantbitarna behåller tillräcklig koherens för beräkningar, vilket minimerar fel. Konventionella kryogena system har begränsningar när det gäller hanteringen av värmelasten under litografi och tunnfilmsdeposition. Den senaste generationen av utspädningsskyddskylare är utrustade med anpassade kalla steg som är konstruerade för att minimera vibrationer samt sofistikerad termisk skärmning, vilket möjliggör en temperaturstabilitet bättre än 0,5 mK under tillverkningen av Josephson-övergångar (JJs). Detta visar att koherenstiden för qubitarna kan förlängas med en faktor 100 jämfört med tidigare system, vilket kan ha betydelsefull praktisk nytta.
Stabilitetskrav för temperaturer lägre än -0,1 °C för EUV-källor och optik.
Kvalitetskylnings-teknik är avgörande för EUV-litografiprocessen. EUV-ljuskällor är kraftfulla tinnplasmor som genererar cirka 200 kW värme. Kylsystemen måste säkerställa att temperaturerna hålls under 0,1 °C. EUV-litografiprocessen innebär reflekterande optik där speglarna är extremt känslomativa för förändringar. Därför kan en temperaturändring på +0,05 °C eller −0,05 °C påverka våglängderna k = 13,5 nanometer och orsaka att optiken blir ur fokus. För att undvika detta implementerar tillverkare flerstegskylning av plasmautrymmena samt slutna kylkretsar till speglarna. Dessa åtgärder säkerställer en konstant nivå av fotonutdata och precision i överläggningarna. Enligt branschrapporter sjunker utbytet mellan 12 % och 18 % vad gäller överläggningarna när temperaturerna överskrider toleransen på 0,1 °C. Därför är termisk hantering avgörande för tillverkare som avser att producera chip med strukturen under 3 nanometer.
Vanliga frågor
Varför är termisk stabilitet avgörande i halvledartillverkning?
För att upprätthålla termisk stabilitet i halvledartillverkning måste små temperaturändringar kontrolleras för att förhindra defekter i kretsarna, särskilt vid nanometerskala.
Vilka är några innovativa förpackningsmetoder som påverkas av termisk hantering?
Metoder som 2,5D/3D-integration, chiplet-arkitektur och FOWLP måste kontrollera temperaturerna för att undvika materialkrökning och maximera processens utbyte.
Vilka fördelar ger kryogenisk kyling för kvantdatorer?
Vid extremt låga temperaturer minskar termisk störning och koherenstiden för kvantbitar (qubits) förbättras, vilket möjliggör bättre kvantberäkningar.