Film Berlian Suhu Rendah Meningkatkan Pembuangan Panas Semikonduktor

Dengan pesatnya perkembangan-komputasi berperforma tinggi,-perangkat elektronik berdaya tinggi, dan teknologi pengemasan canggih, pembuangan panas chip telah menjadi hambatan utama yang membatasi kinerja dan keandalan sistem. Berlian dianggap sebagai bahan pembuangan panas yang sangat menjanjikan untuk sirkuit dan kemasan terpadu generasi berikutnya karena konduktivitas termalnya yang sangat tinggi dan kekuatan dielektrik yang sangat baik.

 

Dalam manufaktur proses back{0}end (BEOL), suhu pengendapan material biasanya perlu dikontrol pada 450 derajat C atau lebih rendah untuk menghindari kerusakan pada struktur interkoneksi logam dan kinerja perangkat. Namun, menyiapkan film berlian dengan kontinuitas, kepadatan cacat rendah, dan konduktivitas termal tinggi pada kondisi suhu rendah selalu menjadi tantangan yang dihadapi oleh industri dan akademisi.

 

Baru-baru ini, tim Profesor Zeng Yonghua dari Institut Mikroelektronika di Universitas Nasional Cheng Kung di Taiwan berkolaborasi dengan peneliti dari TSMC dan lainnya untuk mengusulkan teknik persiapan film berlian deposisi uap kimia plasma microwave (MPCVD) yang cocok untuk suhu rendah (450 derajat ), dengan konduktivitas termal lebih dari 300 W/m · K. Hasil penelitian tersebut berjudul "Film tipis berlian MPCVD sebagai penyebar panas untuk fabrikasi chip silikon back end of the line (BEOL)" dan telah dipublikasikan di Berlian & Bahan Terkait.

 

Menanggapi masalah ukuran butir kecil dan batas butir padat yang menyebabkan penurunan konduktivitas termal dalam pembuatan film berlian dalam kondisi suhu rendah, tim peneliti berhasil membuat film berlian kontinu dan padat pada substrat silikon dengan memperkenalkan benih berlian 3 nm yang terdistribusi secara merata. Eksperimen telah menunjukkan bahwa menambahkan bubur grafit dalam jumlah yang tepat dapat mendorong pertumbuhan butiran biji intan dan mencegah biji tergores dalam plasma, sehingga meningkatkan kualitas dan konduktivitas termal film.

 

Dalam hal optimalisasi proses, tim peneliti menyesuaikan ketebalan dan ukuran butiran film berlian dengan mengontrol jumlah bubur grafit yang ditambahkan. Hasil percobaan menunjukkan bahwa menambahkan sedikit bubur grafit selama tahap pertumbuhan awal dapat secara signifikan meningkatkan pertumbuhan cepat butiran berlian, menghasilkan ketebalan film yang seragam 50-100 nm dan mempertahankan konduktivitas termal yang tinggi (sekitar 300 W/m · K). Dengan bertambahnya waktu pertumbuhan, ukuran butir film berlian semakin meningkat, dan konduktivitas termal juga meningkat.

Uji kinerja termal dilakukan menggunakan metode Time Domain Thermal Reflection (TDTR), dan hasilnya menunjukkan bahwa konduktivitas termal film berlian meningkat seiring bertambahnya ukuran butir, hingga akhirnya mencapai ketebalan 200-300 nm, dan konduktivitas termal dapat dipertahankan pada sekitar 300 W/m · K. Dibandingkan dengan film berlian suhu rendah tradisional, teknologi tim peneliti telah berhasil meningkatkan konduktivitas termal film pada suhu rendah.

Teknologi ini tidak hanya memenuhi-persyaratan suhu rendah pada proses BEOL, namun juga memberikan solusi persiapan lapisan berlian yang efisien dengan prospek aplikasi yang luas. Film berlian, sebagai bahan pembuangan panas yang ideal, akan memberikan dukungan teknis yang kuat untuk industri semikonduktor masa depan dalam manajemen termal komputasi-performa tinggi, sirkuit terpadu 3D, dan perangkat-semikonduktor berdaya tinggi.