Laser fabrication of in-chip multi-layer micro-channels

Yarım yüzyıldan fazla bir süredir devam eden elektroniklerin boyutunun küçültülmesine dair yönelim, elektronik cihazlarda ve bilişimde büyük ilerlemelerle sonuçlanmıştır. Ancak bu ilerlemeler "ısı-duvarı" probleminin ortaya çıkışıyla kesintiye uğramıştır. Isı duvarı terimi, sistemden ısının uzaklaştırılması kapasitesindeki kısıtlamayı ifade etmektedir. Isı duvarı nedeniyle elektronik cihazların saat hızlarındaki artış oranı azalmış ve daha hızlı hesaplama seviyelerine ulaşım güçleşmiştir. Soğutma problemi, günümüzde, teknolojinin Moore Yasası'nda öngörüldüğü gibi ilerleyememesinde kritik bir rol oynamaktadır. Isı-duvarı problemine olası bir çözüm, yongaların içindeki gerekli yerlere, kontrollü miktarlarda, soğutucu akışkan dağıtımı sağlayan mikro-akışkan kanalların kullanımıdır. Bu yenilikçi yaklaşım, entegre mikro-akışkanlar kullanımıyla yakın zamanda gösterilmiştir. Ancak bu tür yaklaşımlar, pahalı ve karmaşık üretim yöntemleri içeren geleneksel litografi teknikleriyle üretilmiş yüzey mikro-kanalları içermektedir. Ayrıca bu yöntemler, mikro-akışkan kanalların erişiminin zor olacağı yongadaki tüm sıcak bölgelerin soğutulmasına etki etmeyebilir. Bu çalışmada, silisyumun içerisinde, istenilen derinlikte, çok katmanlı mikro kanallar oluşturulması için lazer tabanlı bir mikro üretim yaklaşımı öneriyoruz. Ayrıca bu yöntem, yonga üstü elemanların entegrasyonu için yonga üst yüzeyinin optik kalitesinin korunmasını da sağlamaktadır. Silisyum yongalarının lazerle üç boyutlu şekillendirme konseptinin kanıtı daha önce gösterilmiştir. Burada bu yaklaşımdan yararlanıyoruz ve silisyumun derinliklerinde doğrusal olmayan lazer yazımını ve yazılmış bölgelerin seçici kimyasal aşındırılmasını içeren iki aşamalı bir yöntem kullanmaktayız. Şu ana kadar ilk kez üretilmiş, yongaya tamamen gömülü ve çok katmanlı mikro-kanal serilerini, kavisli geometrileri ve gelişmiş mimari kontrolünü sunmaktayız. Yonga-içi mikro-kanalları 25'e varan yüksek bir en-boy oranı ile üretmekteyiz. Yapıların ölçeklendirilebilirliğini, üretilen yapıların boyutlarını ve kullanılan lazer yazım modalitesindeki değişebilirliği inceliyoruz; seçici aşındırma oranlarını karakterize ediyoruz ve foto-dirençli kaplamalardan yararlanarak yonga yüzeyinin korumasını sağlıyoruz. Desenlendirilmiş ışık demetleri kullanarak düşük duvar pürüzlülüğü (0.23 µm) hakkındaki ilk sonuçlarımızı sunuyoruz ve dikey mikro kanallar, yani "silisyum boyu kanallar" üretimini gösteriyoruz. Yonga yüzeyi hasar görmemiş olarak üretilen bu çok katmanlı kanal mimarisi, entegre sistemlerin ısı yönetimi için kullanımı açısından önemli bir potansiyele sahiptir.