อุตสาหกรรมใดที่พึ่งพาการระบายความร้อนระดับเซมิคอนดักเตอร์มากที่สุด

ปัจจัยหลักที่ขับเคลื่อนการระบายความร้อนระดับเซมิคอนดักเตอร์: การผลิตเซมิคอนดักเตอร์

การควบคุมอุณหภูมิในกระบวนการโฟโตลิโธกราฟีและเอตชิง

ในระหว่างกระบวนการโฟโตลิโธกราฟีและเอตชิง จะมีการสร้างแบบวงจรไอซี (chip designs) ดังนั้น กระบวนการเหล่านี้จึงจำเป็นต้องดำเนินการภายใต้สภาวะความเสถียรทางอุณหภูมิที่สูงมาก แม้แต่การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเพียงเล็กน้อย เช่น ±0.05°C ก็อาจก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของขนาดเชิงวิกฤต (critical dimension) และส่งผลเสียต่ออัตราผลผลิต (production yields) ได้ นอกจากนี้ การขยายตัวของวัสดุพื้นฐาน (substrate) จากความร้อนยังอาจทำให้เกิดการไม่ตรงแนวของมาสก์ (mask misalignment) ขณะที่ทำการฉายแสงผ่านเรซิสต์ (photoresist exposure) อีกด้วย ทั้งนี้ อุณหภูมิที่ไม่คงที่ยังสามารถรบกวนปฏิกิริยาของสารเคมีเอตชัน (etchants) ซึ่งเป็นปัญหาอย่างยิ่งโดยเฉพาะในการเอตชิงด้วยพลาสมา (plasma etching) ผลการศึกษาของ SEMATECH ในปี 2023 พบว่า ปรากฏการณ์การเคลื่อนคลาดของอุณหภูมิ (thermal drift) เป็นสาเหตุหนึ่งที่ทำให้จำนวนข้อบกพร่องเพิ่มขึ้น 15%–22% ในการกระจายพลังงานของไอออนที่ใช้ในเทคโนโลยีระดับนอด (nodes) ต่ำกว่า 5 นาโนเมตร ด้วยเหตุนี้ ผู้ผลิตจึงใช้ระบบทำความเย็นเฉพาะทางที่ประกอบด้วยชั้นรองรับชิ้นงานแบบหล่อเย็นด้วยของเหลว (liquid cooled chucks) และระบบทำความเย็นแบบปิดที่ใช้ไนโตรเจนเหลว (closed loop nitrogen cooled systems) แม้ว่าระบบที่กล่าวมาจะมีความก้าวหน้าและสามารถรักษาความเสถียรของอุณหภูมิไว้ที่ ±0.01°C ได้ แต่การประยุกต์ใช้ระบบทั้งสองนี้เพื่อควบคุมอุณหภูมิให้แม่นยำพอที่จะรักษาความสมบูรณ์ของโครงสร้าง (feature integrity) ที่ระดับนอดต่ำกว่า 3 นาโนเมตร ยังคงเป็นความท้าทายด้านวิศวกรรมที่สำคัญมากในอุตสาหกรรมการผลิตเซมิคอนดักเตอร์

ความท้าทายด้านการควบคุมอุณหภูมิที่เกี่ยวข้องกับการฝังไอออนและการขัดผิวแบบเคมี-กลไก (CMP)

มีความแตกต่างอย่างชัดเจนระหว่างข้อกำหนดด้านการจัดการความร้อนสำหรับสองโมดูล คือ การฝังไอออน (Ion Implantation) และการขัดผิวแบบเคมี-กลไก (Chemical Mechanical Planarisation: CMP) เครื่องฝังไอออน (Implanters) เป็นแหล่งกำเนิดความร้อนสูงสุด โดยทั่วไปมีกำลังความร้อนอยู่ในช่วง 10–15 กิโลวัตต์ เนื่องจากเครื่องเร่งอนุภาคไอออน ความร้อนที่ทำให้แผ่นเวเฟอร์ (wafer) มีอุณหภูมิสูงกว่า 45 องศาเซลเซียส จะก่อให้เกิดปัญหาร้ายแรงต่อการควบคุมการกระจายตัวของสารเจือปนไอออนแบบจำลอง (mimetically controlled ion dopants) และการเกิดรอยต่อ (junctions) ที่เกิดจากความร้อน ในทางกลับกัน กระบวนการ CMP มีความไวต่ออุณหภูมิอย่างมาก เนื่องจากปฏิกิริยาของสารขัด (slurry) ความเบี่ยงเบนจากอุณหภูมิเป้าหมายที่ 30 ± 1 องศาเซลเซียส เพียงเล็กน้อยก็เพียงพอที่จะทำให้เกิดการเจริญเติบโตของชั้นออกไซด์เกินขนาดจากความร้อน และการสึกกร่อนของชั้นไนไตรด์ (nitride barriers) อย่างไม่สม่ำเสมอ โรงงานผลิตชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์ระดับแนวหน้า (state-of-the-art fabrication facilities) ใช้ระบบทำความเย็นที่ซับซ้อนซึ่งแบ่งเป็นหลายโซนเพื่อจัดการผลกระทบดังกล่าว โดยเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบคริโอเจนิก (Cryogenic heat exchangers) จะทำหน้าที่ลดอุณหภูมิของเครื่องฝังไอออนให้ต่ำลงถึง -40 องศาเซลเซียส และควบคุมอุณหภูมิของสารขัดด้วยระบบเพลเทียร์ (Peltier slurry) ให้อยู่ในช่วงความแม่นยำ ± 0.1 องศาเซลเซียส ทั้งนี้ ในอุตสาหกรรมเป็นที่ทราบกันดีว่า ขีดจำกัดของระบบควบคุมเหล่านี้ส่งผลให้เกิดการสูญเสียผลผลิต (yield loss) ในการผลิตชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์อยู่ที่ร้อยละ 12 ถึง 18 ระบบทำความเย็นระดับเซมิคอนดักเตอร์ (Semiconductor Grade Refrigeration) และการรวมวงจรแบบสามมิติ (3D Integration) รวมถึงเทคโนโลยีบรรจุภัณฑ์ขั้นสูง (Advanced Packaging)

เทคนิคการบรรจุภัณฑ์ล่าสุด เช่น การรวมแบบ 2.5 มิติและ 3 มิติ (2.5D และ 3D integration) และการบรรจุภัณฑ์ชิปเล็ต (chiplets) กำลังขับเคลื่อนความต้องการระบบระบายความร้อนขั้นสูงในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ เมื่อผู้ผลิตดำเนินการบรรจุทรานซิสเตอร์ขนาดเล็กมาก พวกเขาจะสร้างความร้อนสูงมากกว่า 1,000 วัตต์ต่อตารางเซนติเมตร หากไม่มีระบบระบายความร้อน วัสดุอาจบิดงอ แยกชั้น (delaminate) หรือเกิดการแยกตัวของชั้นต่าง ๆ ซึ่งนำไปสู่การสูญเสียในการผลิตอย่างมหาศาล โซลูชันการระบายความร้อนจึงมีความสำคัญยิ่งต่อการรักษาความสมบูรณ์ของโครงสร้างในขั้นตอนการประกอบได (die assembly) และการเชื่อมแบบไฮบริด (hybrid bonding) รวมทั้งรักษาความคงตัวของมิติ (dimensional stability) ของระบบภายใต้ภาระความร้อนสุดขีด

ความท้าทายด้านความร้อนในการประมวลผล FOWLP และ TSV

FOWLP และ TSV ประสบปัญหาด้านการจัดการความร้อนอย่างมาก โดยสำหรับ FOWLP สารประกอบเรซินอีพอกซี (epoxy molding compound) ต้องการการกระจายอุณหภูมิอย่างสม่ำเสมอทั่วแผ่นเวเฟอร์ขนาด 300 มม. ความเครียดในชั้น redistribution layers เกิดขึ้นแม้จากความแปรผันของอุณหภูมิเพียง +/- 0.3 องศาเซลเซียส ส่วน TSV ก็มีปัญหาที่ท้าทายไม่แพ้กัน ซึ่งเกิดจากการชุบทองแดงด้วยกระบวนการ electroplating ความร้อนที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการนี้ทำให้เกิดโพรง (voids) ภายใน vias เมื่ออุณหภูมิสูงเกิน 50 องศาเซลเซียส เพื่อรับมือกับความท้าทายด้านความร้อนเหล่านี้ ผู้ผลิตชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์จึงใช้ระบบทำความเย็นเฉพาะทางที่ออกแบบมาเพื่อการใช้งานแต่ละประเภท

การระบายความร้อนแบบหลายโซน — การควบคุมเครื่องทำความเย็นแยกตัวสำหรับแต่ละโมดูลกระบวนการ

การตอบสนองด้านอุณหภูมิในระดับไมโครวินาที — ป้องกันไม่ให้เกิดภาวะควบคุมไม่ได้ (runaway) ระหว่างการเชื่อมด้วยพลาสมา

การดำเนินงานโดยปราศจากการสั่นสะเทือน — รักษาความแม่นยำในการจัดแนวระดับนาโนเมตรระหว่างขั้นตอนการซ้อนชั้น

เมื่อการเชื่อมแบบไฮบริดก้าวหน้าไปสู่ระยะห่างของการต่อเชื่อม (interconnect pitch) ที่ต่ำกว่า 10 ไมโครเมตร และเมื่อความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้าในวงจรรวมสามมิติ (3D-ICs) เพิ่มขึ้น ความจำเป็นในการใช้ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบบูรณาการภายในแผ่นรอง (interposers) เพื่อการถ่ายเทความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพจึงกลายเป็นสิ่งสำคัญยิ่ง ความก้าวหน้านี้ทำให้เกิดความจำเป็นในการใช้ระบบทำความเย็นระดับเซมิคอนดักเตอร์เพื่อรองรับการผลิตแพ็กเกจขั้นสูงที่สามารถขยายขนาดได้

แอปพลิเคชันใหม่ที่กำลังเกิดขึ้น: การคำนวณควอนตัม โฟโตนิกส์ และการวัดค่าด้วยแสง EUV

ความจำเป็นในการทำความเย็นที่อุณหภูมิต่ำมาก (Cryogenic Cooling) ในการผลิตคิวบิตซูเปอร์คอนดักติ้ง

การผลิตบิตควอนตัมแบบซูเปอร์คอนดักเตอร์ (qubits) จำเป็นต้องใช้ระบบทำความเย็นขั้นสูงอย่างยิ่ง ซึ่งสามารถทำงานได้ใกล้จุดศูนย์สัมบูรณ์ โปรเซสเซอร์ควอนตัมจะต้องแยกออกจากสิ่งแวดล้อมภายนอก และรักษาอุณหภูมิให้อยู่ที่ 20 มิลลิเคลวิน (mK) หรือต่ำกว่านั้น เพื่อลดสัญญาณรบกวนจากความร้อน และรับประกันว่าบิตควอนตัมจะคงความสอดคล้องกัน (coherence) ได้เพียงพอสำหรับการประมวลผล เพื่อให้เกิดข้อผิดพลาดน้อยที่สุด ระบบไครโอเจนิกแบบดั้งเดิมมีข้อจำกัดในการจัดการภาระความร้อนที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการลิเทอโรกราฟีและการสะสมฟิล์มบาง ตู้เย็นแบบเจือจางรุ่นล่าสุดมาพร้อมกับชั้นเย็นที่ออกแบบเฉพาะเพื่อลดการสั่นสะเทือน รวมทั้งระบบป้องกันความร้อนขั้นสูงที่ช่วยให้สามารถรักษาเสถียรภาพของอุณหภูมิในระหว่างการผลิตข้อต่อโจเซฟสัน (JJs) ได้ดีกว่า 0.5 mK ซึ่งแสดงให้เห็นว่า เวลาความสอดคล้องกันของบิตควอนตัมสามารถยืดออกได้มากถึง 100 เท่า เมื่อเทียบกับระบบรุ่นก่อนหน้า ซึ่งมีคุณค่าเชิงปฏิบัติอย่างมาก

ข้อกำหนดด้านความมั่นคงสำหรับอุณหภูมิที่ต่ำกว่าลบ 0.1 องศาเซลเซียส สำหรับแหล่งกำเนิดรังสี EUV และเลนส์ออปติก

เทคโนโลยีการเย็นที่มีคุณภาพเป็นสิ่งจําเป็นสําหรับกระบวนการ EUV lithography แหล่งแสง EUV เป็นพลาสมาหมึกที่แข็งแรงที่ผลิตความร้อนประมาณ 200 kW ระบบเย็นต้องให้ความปลอดภัยในการรักษาอุณหภูมิต่ํากว่า 0.1 °C. กระบวนการ EUV lithography ใช้แสงสว่างที่สะท้อนแสง ดังนั้น การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิใด ๆ ระหว่าง +0.05 °C หรือ -0.05 °C อาจส่งผลต่อความยาวคลื่น k=13.5 นาโนเมตร และทําให้แสงสว่างไม่เน้น เพื่อหลีกเลี่ยงสิ่งนี้ ผู้ผลิตนําระบบทําความเย็นหลายระยะของห้องพลาสมา และเครื่องทําความเย็นแบบปิดวงจรไปยังกระจก มาตรการเหล่านี้ทําให้มีระดับการออกโฟตันที่คงที่ และความแม่นยําของการผสมผสาน ตามที่รายงานจากอุตสาหกรรม ผลผลิตจะลดลงระหว่าง 12% และ 18% ในส่วนของการผสมผสานเมื่ออุณหภูมิเกินความอดทน 0,1 °C ดังนั้นสําหรับผู้ผลิตที่ตั้งเป้าที่จะผลิตชิปที่ต่ํากว่า 3 นาโนเมตร การจัดการทางความร้อนเป็นสิ่งสําคัญ

คำถามที่พบบ่อย

เหตุใดความเสถียรทางความร้อนจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการผลิตชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์

เพื่อรักษาความเสถียรทางความร้อนในการผลิตชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์ จำเป็นต้องควบคุมการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิให้มีขนาดเล็กอย่างแม่นยำ เพื่อป้องกันข้อบกพร่องบนชิป โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระดับนาโนเมตร

วิธีการบรรจุภัณฑ์แบบใหม่ๆ ที่ได้รับอิทธิพลจากการจัดการความร้อนมีอะไรบ้าง

วิธีการต่างๆ เช่น การรวมวงจรแบบ 2.5D/3D การออกแบบสถาปัตยกรรมชิปเล็ต (chiplet architecture) และเทคโนโลยี FOWLP (Fan-Out Wafer Level Packaging) จำเป็นต้องควบคุมอุณหภูมิอย่างเข้มงวด เพื่อหลีกเลี่ยงการบิดงอของวัสดุและเพิ่มอัตราผลผลิตสูงสุดของกระบวนการ

การทำความเย็นแบบคริโอเจนิกส์มอบข้อได้เปรียบอะไรให้กับการประมวลผลควอนตัม

ที่อุณหภูมิที่ต่ำมาก ความรบกวนจากความร้อนจะลดลง และระยะเวลาความสอดคล้อง (coherence time) ของบิตควอนตัม (qubits) จะเพิ่มขึ้น ซึ่งส่งผลให้การประมวลผลควอนตัมมีประสิทธิภาพดีขึ้น