低温ダイヤモンドフィルムが半導体の放熱を強化

ハイパフォーマンス コンピューティング、高出力電子デバイス、高度なパッケージング技術の急速な発展に伴い、チップの放熱がシステムのパフォーマンスと信頼性を制限する重要なボトルネックになっています。-ダイヤモンドは、その極めて高い熱伝導率と優れた絶縁耐力により、次世代の集積回路およびパッケージングに非常に有望な放熱材料と考えられています。

 

バックエンド プロセス（BEOL）製造では、既存の金属相互接続構造やデバイスの性能への損傷を避けるために、通常、材料の堆積温度を 450 度以下に制御する必要があります。{0}しかし、このような低温条件下で連続性、低い欠陥密度、高い熱伝導率を兼ね備えたダイヤモンド膜を作製することは、産業界と学術界の両方が常に直面している課題でした。

 

最近、台湾の国立成功大学マイクロエレクトロニクス研究所の曽永華教授のチームは、TSMCなどの研究者と協力して、低温（450度）に適し、熱伝導率が300 W/m・Kを超えるマイクロ波プラズマ化学蒸着（MPCVD）ダイヤモンド膜作製技術を提案した。研究成果のタイトルは「バックエンド・オブ・ザ・ライン（BEOL）シリコンチップ製造用のヒートスプレッダとしてのMPCVDダイヤモンド薄膜」である。ダイヤモンド&関連資料に掲載されています。

 

低温条件下でダイヤモンド膜を作製する際の熱伝導率の低下につながる小さな粒径と緻密な粒界の問題に対応し、研究チームは、均一に分布した3nmのダイヤモンドシードを導入することで、シリコン基板上に連続的で緻密なダイヤモンド膜を構築することに成功した。実験により、適切な量のグラファイトスラリーを添加すると、ダイヤモンドシード粒子の成長が促進され、プラズマ中でのシードのエッチングが防止され、それによって膜の品質と熱伝導率が向上することが示されました。

 

プロセスの最適化の観点から、研究チームは添加するグラファイトスラリーの量を制御することでダイヤモンド膜の厚さと粒径を調整した。実験結果は、成長の初期段階で少量のグラファイトスラリーを添加すると、ダイヤモンド粒子の急速な成長を大幅に促進し、その結果、膜の厚さが50〜100nmの均一になり、高い熱伝導率（約300W/m・K）を維持できることを示しています。成長時間が延長されると、ダイヤモンド膜の粒径はさらに大きくなり、それに応じて熱伝導率も増加します。

熱性能試験はタイムドメイン熱反射(TDTR)法を用いて実施され、その結果、ダイヤモンド膜の熱伝導率は粒子サイズの増加とともに増加し、最終的に200-300nmの厚さに達し、熱伝導率は約300W/m・Kに維持できることが示されました。研究チームの技術は、従来の低温ダイヤモンド膜と比較して、低温での膜の熱伝導率を向上させることに成功しました。

この技術は、BEOL プロセスの低温要件を満たすだけでなく、幅広い応用の可能性を備えた効率的なダイヤモンド膜作製ソリューションも提供します。{0}ダイヤモンド フィルムは、理想的な放熱材料として、高性能コンピューティング、3D 集積回路、高出力半導体デバイスの熱管理において、将来の半導体産業に強力な技術サポートを提供します。-