فیلم الماس با دمای پایین اتلاف گرمای نیمه هادی را افزایش می دهد

با توسعه سریع-محاسبات با عملکرد بالا، دستگاه‌های الکترونیکی{{1} با قدرت بالا، و فناوری بسته‌بندی پیشرفته، اتلاف حرارت تراشه به یک گلوگاه کلیدی تبدیل شده است که عملکرد و قابلیت اطمینان سیستم را محدود می‌کند. الماس به دلیل رسانایی حرارتی بسیار بالا و استحکام دی الکتریک عالی، یک ماده اتلاف حرارت بسیار امیدوارکننده برای نسل بعدی مدارهای مجتمع و بسته بندی در نظر گرفته می شود.

 

در تولید فرآیند برگشتی (BEOL)، دمای رسوب مواد معمولاً باید در 450 درجه سانتیگراد یا کمتر کنترل شود تا از آسیب به ساختارهای اتصال فلزی موجود و عملکرد دستگاه جلوگیری شود. با این حال، تهیه فیلم های الماس با پیوستگی، چگالی نقص کم و رسانایی حرارتی بالا در چنین شرایط دمایی پایین، همیشه چالشی است که هم صنعت و هم دانشگاه با آن مواجه هستند.

 

اخیراً، تیم پروفسور Zeng Yonghua از مؤسسه میکروالکترونیک در دانشگاه ملی چنگ کونگ در تایوان با محققانی از TSMC و دیگران همکاری کردند تا تکنیک آماده‌سازی فیلم الماس با بخار شیمیایی پلاسما مایکروویو (MPCVD) مناسب برای دماهای پایین (450 درجه) با هدایت حرارتی بیش از 30 W/m را پیشنهاد کنند. "لایه های نازک الماس MPCVD به عنوان پخش کننده های حرارتی برای ساخت تراشه های سیلیکونی انتهای خط (BEOL)" و در Diamond & Related Materials منتشر شده است.

 

در پاسخ به مشکل اندازه دانه کوچک و مرزهای متراکم دانه که منجر به کاهش رسانایی حرارتی در تهیه فیلم‌های الماسی در شرایط دمای پایین می‌شود، تیم تحقیقاتی با معرفی دانه‌های الماس 3 نانومتری با توزیع یکنواخت، فیلم‌های الماس پیوسته و متراکم را با موفقیت روی بسترهای سیلیکونی ساخت. آزمایش‌ها نشان داده‌اند که افزودن مقدار مناسبی از دوغاب گرافیت می‌تواند باعث رشد دانه‌های الماس شود و از حک شدن دانه‌ها در پلاسما جلوگیری کند و در نتیجه کیفیت و هدایت حرارتی فیلم را بهبود بخشد.

 

از نظر بهینه سازی فرآیند، تیم تحقیقاتی ضخامت و اندازه دانه های فیلم های الماس را با کنترل مقدار دوغاب گرافیت اضافه شده تنظیم کردند. نتایج تجربی نشان می‌دهد که افزودن مقدار کمی دوغاب گرافیت در مرحله رشد اولیه می‌تواند به طور قابل‌توجهی رشد سریع دانه‌های الماس را افزایش دهد، و در نتیجه ضخامت یکنواخت ۵۰ تا ۱۰۰ نانومتر برای فیلم و حفظ رسانایی حرارتی بالا (حدود ۳۰۰ W/m · K) ایجاد می‌شود. با افزایش زمان رشد، اندازه دانه‌های لایه‌های الماس بیشتر افزایش می‌یابد و هدایت حرارتی نیز بر این اساس افزایش می‌یابد.

آزمایش عملکرد حرارتی با استفاده از روش بازتاب حرارتی دامنه زمانی (TDTR) انجام شد و نتایج نشان داد که رسانایی حرارتی لایه الماس با افزایش اندازه دانه افزایش می‌یابد و در نهایت به ضخامت 200-300 نانومتر می‌رسد و می‌توان رسانایی حرارتی را در حدود 300 W-aaarty کم‌تر از دیموند حفظ کرد. فیلم‌ها، فناوری تیم تحقیقاتی با موفقیت هدایت حرارتی فیلم‌ها را در دماهای پایین بهبود بخشیده است.

این فناوری نه تنها نیازمندی‌های{0} دمای پایین فرآیند BEOL را برآورده می‌کند، بلکه یک راه‌حل کارآمد آماده‌سازی فیلم الماس با چشم‌اندازهای کاربردی گسترده ارائه می‌کند. فیلم الماس، به عنوان یک ماده اتلاف حرارت ایده‌آل، پشتیبانی فنی قوی برای صنعت نیمه‌رساناهای آینده در مدیریت حرارتی محاسبات با عملکرد بالا، مدارهای مجتمع سه‌بعدی و دستگاه‌های نیمه‌رسانا با قدرت{{4} بالا ارائه می‌کند.