Nizkotemperaturna diamantna folija izboljša odvajanje toplote polprevodnikov

S hitrim razvojem visoko{0}}zmogljivega računalništva, visoko-zmogljivih elektronskih naprav in napredne tehnologije pakiranja je odvajanje toplote čipov postalo ključno ozko grlo, ki omejuje zmogljivost in zanesljivost sistema. Diamant zaradi izjemno visoke toplotne prevodnosti in odlične dielektrične trdnosti velja za zelo obetaven material za odvajanje toplote za naslednjo generacijo integriranih vezij in embalaže.

 

Pri proizvodnji v -zadnjem procesu (BEOL) je treba temperaturo nanašanja materiala običajno nadzorovati na 450 stopinj C ali manj, da preprečimo poškodbe obstoječih kovinskih povezovalnih struktur in zmogljivosti naprave. Vendar pa je bila priprava diamantnih filmov s kontinuiteto, nizko gostoto napak in visoko toplotno prevodnostjo pri tako nizkih temperaturnih pogojih vedno izziv, s katerim se soočata industrija in akademija.

 

Pred kratkim je ekipa profesorja Zeng Yonghua z Inštituta za mikroelektroniko na Nacionalni univerzi Cheng Kung v Tajvanu sodelovala z raziskovalci iz TSMC in drugimi, da bi predlagala tehniko priprave diamantnega filma z mikrovalovnim plazemskim kemičnim naparevanjem (MPCVD), ki je primerna za nizke temperature (450 stopinj), s toplotno prevodnostjo nad 300 W/m·K. Rezultat raziskave je naslovljen "MPCVD diamantni tanki filmi kot razpršilci toplote za izdelavo silicijevih čipov na zadnji strani linije (BEOL)" in je bil objavljen v Diamond&Related Materials.

 

Kot odgovor na problem majhne velikosti zrn in gostih mej zrn, ki vodijo do zmanjšanja toplotne prevodnosti pri pripravi diamantnih filmov pri nizkih temperaturah, je raziskovalna skupina uspešno konstruirala neprekinjene in goste diamantne filme na silicijevih substratih z uvedbo enakomerno porazdeljenih 3 nm diamantnih semen. Poskusi so pokazali, da lahko dodajanje ustrezne količine grafitne brozge spodbudi rast zrn diamantnih semen in prepreči, da bi se semena jedkala v plazmi, s čimer se izboljša kakovost in toplotna prevodnost filma.

 

Kar zadeva optimizacijo procesa, je raziskovalna skupina prilagodila debelino in velikost zrn diamantnih filmov z nadzorom količine dodane grafitne brozge. Eksperimentalni rezultati kažejo, da lahko dodajanje majhne količine grafitne brozge v začetni fazi rasti znatno poveča hitro rast diamantnih zrn, kar ima za posledico enotno debelino 50-100 nm za film in ohranja visoko toplotno prevodnost (približno 300 W/m · K). S podaljševanjem časa rasti se zrnavost diamantnih filmov še poveča, temu primerno se poveča tudi toplotna prevodnost.

Preskus toplotne učinkovitosti je bil izveden z metodo toplotnega odboja v časovni domeni (TDTR) in rezultati so pokazali, da se je toplotna prevodnost diamantnega filma povečevala s povečanjem velikosti zrn in na koncu dosegla debelino 200-300 nm, toplotno prevodnost pa je bilo mogoče ohraniti pri približno 300 W/m · K. V primerjavi s tradicionalnimi nizkotemperaturnimi diamantnimi filmi je raziskava Tehnologija ekipe je uspešno izboljšala toplotno prevodnost filmov pri nizkih temperaturah.

Ta tehnologija ne izpolnjuje le nizko{0}}temperaturnih zahtev postopka BEOL, ampak zagotavlja tudi učinkovito rešitev za pripravo diamantnega filma s širokimi možnostmi uporabe. Diamantni film kot idealen material za odvajanje toplote bo zagotovil močno tehnično podporo za polprevodniško industrijo prihodnosti pri toplotnem upravljanju visoko-zmogljivega računalništva, 3D integriranih vezij in visoko-zmogljivih polprevodniških naprav.