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Dokumentenidentifikation DE102007013410A1 15.11.2007
Titel Verfahren zum Ausbilden von Diamant-Mikrokanal-Strukturen und daraus resultierende Vorrichtungen
Anmelder Intel Corporation, Santa Clara, Calif., US
Erfinder Dory, Thomas, Gilbert, Ariz., US
Vertreter BOEHMERT & BOEHMERT, 28209 Bremen
DE-Anmeldedatum 20.03.2007
DE-Aktenzeichen 102007013410
Offenlegungstag 15.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.11.2007
IPC-Hauptklasse B81C 1/00(2006.01)A, F, I, 20070713, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H05K 1/18(2006.01)A, L, I, 20070713, B, H, DE   
Zusammenfassung Es wird eine Mikrokanalstruktur aus Diamant, die auf einem Die angeordnet ist, sowie ein Verfahren zum Bilden dieser Struktur offenbart. Eine oder mehrere Wände jedes Kanals kann/können Diamant (oder ein anderes diamantartiges Material) umfassen. Die Mikrokanalstruktur kann Teil eines Fluidkühlsystems für den Die sein. Es werden weitere Ausführungsformen beschrieben und beansprucht.

Beschreibung[de]
GEBIET DER ERFINDUNG

Die offenbarten Ausführungsformen betreffen allgemein das Abkühlen von integrierten Schaltkreisvorrichtungen und insbesondere Verfahren zum Bilden einer Diamant-Mikrokanalstruktur sowie Kühlsysteme und -vorrichtungen, die eine derartige Struktur umfassen.

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

Da die Leistung und Funktionalität von integrierten Schaltkreisvorrichtungen sich mit jeder Konstruktionsgeneration verbessern, sehen sich die Hersteller von Halbleitervorrichtungen mit einer entsprechenden Steigerung des Energieverbrauchs dieser Vorrichtungen konfrontiert. Somit können zukünftige Generationen integrierter Schaltkreisvorrichtungen – einschließlich z.B. Mehrkernarchitekturen – höhere Ansprüche an die Abkühllösung stellen und können deshalb thermische Lösungen erfordern, die eine größere Wärmeableitung bereitstellen. Thermische Lösungen, die für derzeitige und zukünftige Generationen integrierter Schaltkreisvorrichtungen vorgeschlagen wurden, umfassen Lösungen der Flüssigkeitskühlung und dergleichen. Ein Flüssigkeitskühlsystem für einen integrierten Schaltkreis-Die bzw. Schaltkreischip kann einen oder mehrer Kanäle (z.B. Mikrokanäle), die in der Nähe des Dies bzw. des Chips angeordnet sind, umfassen, und ein Fluid kann durch diese Kanäle fließen, um Wärme aus dem Die bzw. Chip zu entfernen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist ein Funktionsschema, das Ausführungsformen eines Verfahrens zum Bilden einer Diamant-Mikrokanalstruktur darstellt.

2A bis 2I sind schematische Diagramme, die Ausführungsformen des in 1 gezeigten Verfahrens darstellen.

3 ist ein schematisches Diagramm, das eine Ausführungsform eines Wafers darstellt, der gemäß den offenbarten Ausführungsformen gebildet werden kann.

4 ist ein Funktionsschema, das eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Bilden von Keimbildungsstellen für Diamantwachstum darstellt.

5A bis 5C sind schematische Diagramme, die jeweils eine Ausführungsform eines Musters aus Kanälen, die gemäß den offenbarten Ausführungsformen gebildet werden, darstellen.

6 ist ein schematisches Diagramm, das eine Ausführungsform einer integrierten Schaltkreisvorrichtung mit einer Diamant-Mikrokanalstruktur darstellt.

7 ist ein schematisches Diagramm, das eine Ausführungsform eines Flüssigkeitskühlsystems darstellt.

8 ist ein schematisches Diagramm, das eine Ausführungsform eines Computersystems darstellt, das ein Bauteil umfassen kann, das gemäß den offenbarten Ausführungsformen gebildet ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Mit Bezug auf 1 werden nun Ausführungsformen eines Verfahrens 100 zum Bilden einer Diamant-Mikrokanalstruktur dargestellt. Die in 1 gezeigten Ausführungsformen des Verfahrens 100 sind ferner in den schematischen Diagrammen von 2A bis 2I dargestellt, und es soll auf diese Figuren Bezug genommen werden, wenn sie im nachstehenden Text erwähnt werden.

Mit Bezug auf Block 110 in 1, werden ein oder mehrere Gräben auf der Rückseite eines Halbleitersubstrats gebildet. Dies ist in 2A und 2B dargestellt. Zunächst wird mit Bezug auf 2A ein Substrat 210 bereitgestellt. Das Substrat 210 kann als eine Vorderseite 211 und eine gegenüberliegende Rückseite 212 aufweisend angesehen werden. Es versteht sich jedoch, daß die Bezeichnungen "Vorderseite" und "Rückseite" willkürlich sind, und ferner daß man sich mit einer beliebigen anderen Konvention auf die diversen Oberflächen des Substrats 210 beziehen kann. Bei einer Ausführungsform umfaßt das Substrat 210 einen Halbleiterwafer, auf dem integrierte Schaltkreise für eine gewisse Anzahl von Dies bzw. Chips zu bilden ist (bzw. gebildet wurde). Wie z.B. in 2A bis 2I gezeigt, umfaßt das Substrat 210 die Chips 205a und 205b. Der Halbleiterwafer kann ein beliebiges geeignetes Material, wie etwa Silizium, Silizium auf Isolator (SOI), Galliumarsenid (GaAs) oder ein anderes Material oder eine Kombination von Materialien umfassen. Gemäß einer Ausführungsform weist das Substrat eine Dicke von bis zu 600 &mgr;m auf.

Um die Abbildung zu vereinfachen, umfaßt das in 2A bis 2G gezeigte Substrat 210 eine begrenzte Anzahl von Chips 205a, 205b (sowie eine begrenzte Anzahl von Diamant-Kanalstrukturen, die wie nachstehend beschrieben zu bilden sind). Es versteht sich jedoch, daß die offenbarten Ausführungsformen typischerweise auf Waferebene ausgeführt werden, und daß ein derartiger Wafer integrierte Schaltkreise für eine beliebige Anzahl von Dies bzw. Chips umfassen kann. Dies ist ferner in 3 dargestellt, die eine Draufsicht eines Wafers 300 zeigt. Mit Bezug auf diese Figur umfaßt der Wafer 300 ein Substrat 310, auf dem integrierte Schaltkreise für eine gewisse Anzahl von Chips 305 gebildet werden (bzw. gebildet wurden), und der Wafer 300 wird letztendlich in diese getrennten Dies bzw. Chips 305 zerschnitten. Bei einer Ausführungsform umfaßt das Substrat 310 eine gewisse Anzahl von Diamant-Kanalstrukturen darauf, wie nachstehend beschrieben werden soll. In der Praxis kann jeder Die bzw. Chip 305 Hunderte von Millionen von Schaltkreiselementen (z.B. Transistoren, usw.) umfassen, und jeder der Chips 305 kann auch eine beliebige Anzahl und ein beliebiges Muster von Diamant-Kanalstrukturen umfassen.

Weiter mit Bezug auf 2A werden bei einer Ausführungsform Gräben gebildet, indem zunächst eine Schicht aus Photolack 220 auf die Rückseite 212 des Substrats 210 abgeschieden wird. Die Photolackschicht 220 wird dann gemustert, um eine Maske mit Öffnungen 225 zu bilden, wie in 2A gezeigt. Nun wird mit Bezug auf 2B ein Ätzvorgang ausgeführt, um Gräben 230 anzulegen, die an Stellen gebildet werden, die durch Maskenöffnungen 225 festgelegt werden. Jede beliebige Ätztechnik (oder eine Kombination aus Ätzverfahren) kann verwendet werden, um die Gräben 230 anzulegen. Beispielhaft können die Gräben 230 gebildet werden, indem ein Plasmaätzverfahren oder ein Silizium-Tiefenätzverfahren (DRIE = "deep reactive ion etching process") verwendet wird. Bei einer Ausführungsform haben die Gräben eine Tiefe von bis zu 500 &mgr;m und eine Breite von bis zu 100 &mgr;m.

Noch einmal mit Bezug auf 1 werden Keimbildungsstellen auf den Oberflächen der Gräben gebildet, wie in Block 120 angegeben. Im Allgemeinen umfaßt eine Keimbildungsstelle einen beliebigen Bereich auf einer Oberfläche eines Grabens, an der eine Diamantmenge gezüchtet oder abgeschieden werden kann. Es versteht sich jedoch, daß eine Keimbildungsstelle einen Bereich umfassen kann, von dem aus eine Menge eines anderen Materials – z.B. diamantartiger Kohlenstoff oder ein anderes diamantartiges Material – gezüchtet oder anderweitig abgeschieden werden kann. Im Wesentlichen können Keimbildungsstellen eine Saatschicht (seed layer) für Diamantwachstum bereitstellen. Gemäß einer Ausführungsform wird Diamant wahlweise innerhalb der Gräben 230 gezüchtet, und die Bildung von Keimbildungsstellen beschränkt sich auf die Oberflächen 235 der Gräben 230. Es versteht sich jedoch, daß bei manchen Ausführungsformen das Diamantwachstum nicht wahlweise sein kann, und bei anderen Ausführungsformen Keimbildungsstellen auf anderen Oberflächen des Substrats 210 gebildet werden können.

Es kann jede beliebige Technik verwendet werden, um Keimbildungsstellen auf den Oberflächen 235 der Gräben 230 bereitzustellen. Bei einer Ausführungsform werden Diamant-Keimbildungsstellen gebildet, indem ein Diamantteilchen enthaltender Schlamm verwendet wird. Dies ist in 2C zusammen mit 4 abgebildet. Mit Bezug auf Block 410 in 4 wird ein Diamantschlamm in den Gräben 230 abgeschieden (und eventuell auf anderen Oberflächen des Substrats 210). Dies ist in 2C abgebildet, wo ein Schlamm 240 in den Gräben 230 (und auf anderen Oberflächen des Substrats 210) abgeschieden wurde. Gemäß einer Ausführungsform umfaßt der Schlamm ein Lösemittel, Diamantteilchen und ein Tensid (z.B. um das Benetzen zu fördern). Es kann ein beliebiges Lösemittel verwendet werden, und bei einer Ausführungsform umfaßt das Lösemittel Wasser. Bei einer Ausführungsform können die Diamantteilchen Größen haben, die von 0,05 &mgr;m bis 10 &mgr;m reichen, und der Gehalt an Diamantteilchen kann bis zu 50 Volumenprozente des Schlamms umfassen. Wie in Block 420 angegeben, wird der Schlamm (und das Substrat) umgerührt, um die Haftung der Diamantteilchen an den Grabenoberflächen zu unterstützen. Bei einer Ausführungsform wird das Umrühren hervorgerufen, indem Ultraschallvibrationen in dem Schlamm 240 (und dem Substrat 210) induziert werden. Dann wird wie in Block 430 angegeben das Lösemittel verdampft, wonach auf den Oberflächen 235 der Gräben 230 abgeschiedene Diamantteilchen übrig bleiben, wobei diese Diamantteilchen Keimbildungsstellen für das Diamantwachstum bereitstellen. Das Verdampfen des Lösemittels kann man erreichen, indem man den Schlamm Hitze, trockener Luft und/oder einer Vakuumumgebung aussetzt.

Bei einer anderen Ausführungsform können Keimbildungsstellen angelegt werden, indem die Oberflächen 235 der Gräben 230 (oder mindestens Abschnitte dieser Oberflächen) aufgerauht werden. Die Oberflächenmerkmale auf einer derartigen aufgerauhten Oberfläche (z.B. kleine Spitzen und Täler sowie andere Oberflächendefekte) können als Keimbildungsstellen für das Diamantwachstum dienen. Bei einer Ausführungsform werden die Grabenoberflächen 235 aufgerauht, indem ein Silizium-Tiefenätzverfahren (DRIE) verwendet wird. Wenn somit die Gräben 230 unter Verwendung des DRIE-Verfahrens gebildet werden, kann die erwünschte Oberflächenrauheit ein natürliches Ergebnis der Grabenbildung sein. Wenn jedoch alternative Ätztechniken verwendet werden, um die Gräben 230 zu bilden, kann ein anschließendes DRIE-Verfahren (zusätzlich zum anfänglichen Ätzen für die Grabenbildung) ausgeführt werden, um die erwünschte Oberflächenrauheit bereitzustellen. Gemäß einer Ausführungsform haben die aufgerauhten Grabenoberflächen 235 Merkmalsgrößen, die von 10 nm bis 600 nm reichen.

Obwohl oben die Verwendung eines Diamantschlamms oder die Erstellung einer aufgerauhten Oberfläche beschrieben wird, versteht es sich, daß sich die offenbarten Ausführungsformen nicht auf diese Verfahren zum Bilden von Keimbildungsstellen beschränken, und ferner, daß alternative Verfahren verwendet werden können. Unabhängig von der Art und Weise wie die Keimbildungsstellen (oder eine andere Saatschicht) gebildet werden, ist das Ergebnis eine gewisse Anzahl von Keimbildungsstellen, die über die Oberflächen 235 der Gräben 230 (siehe 2D) verteilt sind. Zudem kann vor dem Diamantwachstum eventuell übrig bleibender Photolack (z.B. die Photolackschicht 220) vom Substrat 210 entfernt werden, wie ebenfalls in 2D gezeigt.

Noch einmal mit Bezug auf 1 wird Diamant (oder ein anderes diamantartiges Material) in den Gräben abgeschieden, wie in Block 130 angegeben. Dies ist in 2E abgebildet, wo in jedem der Gräben 230 Diamant 250 gezüchtet bzw. aufgewachsen wurde. Gemäß einer Ausführungsform wird der Diamant 250 aufgewachsen, indem ein Verfahren durch Abscheidung aus der Gasphase (CVD) verwendet wird, wobei die zuvor gebildeten Keimbildungsstellen als Saatschicht für das CVD-Diamantwachstum dienen. Bei einer Ausführungsform erfolgt das Diamant-CVD-Wachstum, indem ein Vorgänger verwendet wird, der eine Mischung aus Methan und Wasserstoff oder eine Mischung aus Azetylen (C2H2) und Wasserstoff umfaßt, wobei das Methan (bzw. Azetylen) zwischen ungefähr 1 und 2,5 Prozent der Mischung umfaßt. Das Diamant-CVD-Wachstum kann erfolgen, wenn die Gasvorläufermischung mit einem Durchfluß von 50 bis 200 Standardkubikzentimetern pro Minute (sccm) bei einer Temperatur zwischen 700 und 800 Grad Celsius und unter einem Druck zwischen 10 und 300 Torr eingeführt wird. Gemäß einer anderen Ausführungsform wird ein plasmaunterstütztes CVD-Verfahren für das Diamantwachstum verwendet. Plasmaunterstützte CVD-Abscheidung kann bei einer Frequenz von ungefähr 2,43 GHz, bei einer Leistung von ungefähr 1000 W, bei einer Temperatur zwischen 700 und 900 Grad Celsius und unter einem Druck zwischen 1 und 100 Torr erreicht werden. Es versteht sich jedoch, daß die obigen Angaben nur einige Beispiele von Verfahrensparametern sind, die für das CVD-Wachstum von Diamant verwendet werden können, und ferner, daß beliebige andere geeignete Verfahrensparameter verwendet werden können, die von den erwünschten Merkmalen der Diamantstrukturen abhängig sind, die gebildet werden. Ebenso versteht es sich, daß die offenbarten Ausführungsformen sich nicht auf das CVD-Diamantwachstum beschränken, und daß andere Verfahren zum Abscheiden von Diamant (oder anderen diamantartigen Materialien, wie etwa diamantartigem Kohlenstoff) verwendet werden können.

Bei einer Ausführungsform, wie sie in Block 140 von 1 angegeben ist, werden dann Schaltungen auf dem Substrat gebildet. Dies ist in 2F abgebildet, wo die Schaltungen 290a, 290b (jeweils für die Chips 205a, 205b) auf der Vorderseite 211 des Substrats 210 gebildet wurden. Die Schaltungen 290a, 290b können eine Reihe von Schaltungselementen umfassen, zu denen Transistoren, Kondensatoren, Widerstände, Dioden, Drosselspulen, usw. gehören. Obwohl in den Figuren zur Vereinfachung der Abbildung eine begrenzte Anzahl von Schaltungselementen gezeigt ist, versteht es sich, daß in der Praxis jeder der Chips 205a, 205b Hunderte von Millionen von Transistoren und anderen Schaltungselementen umfassen kann.

Auch kann, wie in 2F gezeigt, eine Zwischenverbindungs- bzw. Zusammenschaltungsstruktur (interconnect structure) 295 auf der Vorderseite 211 (und auf den aktiven Schaltungen 290a, 290b) gebildet sein. Diese Zwischenverbindungs- bzw. Zusammenschaltungsstruktur 295 kann eine Anzahl von Metallisierungsniveaus umfassen, wobei jedes Metallisierungsniveau eine Schicht eines dielektrischen Materials umfaßt, in der eine Anzahl von Leitern (z.B. Spuren) gebildet wurde. Die Leiter auf einem bestimmten Metallisierungsniveau sind von den Leitern der angrenzenden Niveaus durch das dielektrische Material getrennt, und die Leiter der angrenzenden Niveaus sind durch leitende Durchgänge, die sich zwischen diesen Niveaus erstrecken, elektrisch zusammengeschaltet. Die Leiter und Durchgänge können ein beliebiges leitendes Material, wie etwa Kupfer, Aluminium, Gold, Silber oder Legierungen davon und von anderen Metallen umfassen. Das dielektrische Material kann ein beliebiges geeignetes dielektrisches oder isolierendes Material, wie etwa Siliziumdioxid (SiO2), SiOF, kohlenstoffdotiertes Oxid (CDO), Glas oder ein Polymermaterial umfassen.

Das Bilden von integrierten Schaltungen nach dem Diamantwachstum kann erwünscht sein, wenn die Temperaturen, bei denen das Diamantwachstum stattfindet (z.B. bis zu 800 Grad Celsius) das thermische Budget für die integrierten Schaltkreise übersteigt (z.B. bis zu 450 Grad Celsius). Bei einigen Ausführungsformen kann jedoch ein Diamantwachstumsverfahren mit niedrigerer Temperatur – z.B. weniger als das mit den integrierten Schaltkreisen verbundene Budget – verwendet werden (z.B. ein Tieftemperatur-CVD-Diamant-Wachstumsverfahren). Somit kann bei einer anderen Ausführungsform, falls das Diamantwachstum bei Temperaturen, die nicht das thermische Budget des integrierten Schaltkreises übersteigen, stattfinden soll, die Bildung von Schaltkreisen vor der Grabenbildung und dem Diamantwachstum stattfinden, wie durch Block 145 in 1 abgebildet.

Nun mit Bezug auf Block 150 in 1 werden Abschnitte bzw. Bereiche des Substrats neben den Diamantstrukturen entfernt, um Kanäle zu bilden. Dies ist in 2G abgebildet, wo Abschnitte bzw. Bereiche des Substrats 210 entfernt wurden, um Kanäle 260 zu bilden. Die zuvor gebildeten Diamantstrukturen 250 bilden eine oder mehrere Wände (z.B. mindestens eine Seitenwand) der Kanäle 260, wobei das Substrat 210 auch eine oder mehrere Wände der Kanäle bereitstellt (z.B. die Bodenwand jedes Kanals und eventuell eine Seitenwand eines Kanals). Es kann ein beliebiges Verfahren, wie etwa ein Naßätzverfahren, verwendet werden, um Abschnitte des Substrats 210 zu entfernen. Nach einer Ausführungsform, wie in 2G gezeigt, ist die Tiefe des Ätzens geringer als die Höhen der Diamantstrukturen 250, so daß ein Abschnitt der Diamantstrukturen 250 in dem Substrat 210 eingebettet bleibt. Bei einer Ausführungsform erstrecken sich zwischen 20 und 30 Prozent der Diamantstrukturen in das Substrat 210. Einen Abschnitt der Diamantstrukturen 250 in dem Substrat eingebettet zu lassen, kann eine Reihe von Vorteilen bereitstellen, wozu verbesserte Haftung des Diamanten an dem darunter liegenden Substrat 210 und verbesserte thermische Leistung gehören.

Bei einer Ausführungsform sind die Kanäle 260 in einem Muster angeordnet, das Teil eines Flüssigkeitskühlsystems für einen integrierten Schaltkreischip ist. Diamant weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit (z.B. 2000 W/mK) und einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (z.B. 0,8 ppm/K) auf. Somit kann ein Flüssigkeitskühlsystem, das auf einer Seite eines Chips angeordnet ist, der Kanäle umfaßt, die zumindest teilweise aus Diamant (oder einem anderen diamantartigen Material) bestehen – und Diamantwände aufweisen, die in das Chipsubstrat eingebettet sind – wirksam sein, um Wärme aus den Schaltungen zu entfernen, die sich auf einer gegenüberliegenden Seite des Chips befinden. Bei einer Ausführungsform haben die Kanäle 260 Höhen- und Breitenabmessungen, die von über zehn Mikrometern bis zu Hunderten von Mikrometern reichen, und diese Kanäle kann man als "Mikrokanäle" bezeichnen. Es versteht sich jedoch, daß Strukturen nach den offenbarten Ausführungen gebildet werden können, die beliebige geeignete Abmessungen aufweisen.

Das Muster aus Kanälen 260 kann eine beliebige geeignete Anordnung aufweisen, und einige Beispiele sind in 5A bis 5C gezeigt. Zunächst mit Bezug auf 5A umfaßt ein Muster 501 auf einem Chip bzw. Die 505 eine Anzahl von Kanälen 560 (getrennt durch Diamantstrukturen 550), die sich zwischen einem Einlaßfluidbehälter 582 und einem Auslaßfluidbehälter 586 erstrecken. Der Einlaßbehälter 582 umfaßt einen Fluideinlaß 583 und der Auslaßbehälter 586 umfaßt einen Fluidauslaß 587. Fluid kann in den Einlaßbehälter 582 durch den Einlaß 583 eingeführt werden, durch die Kanäle 560 und über den Chip 505 fließen (wodurch die durch die Schaltungen auf dem Chip erzeugte Wärme entfernt wird) und in den Auslaßbehälter 586 eintreten. Die Fluid kann dann durch den Auslaß 587 entfernt werden und eventuell durch ein Fluidkühlsystem im geschlossenen Kreislauf zurückgeführt werden, wie nachstehend beschrieben werden soll.

Bei der Ausführungsform von 5A deckt das Muster 501 der Kanäle 56 einen wesentlichen Abschnitt des Chips 505 ab. Bei anderen Ausführungsformen können sich die Kanäle jedoch über spezifische Abschnitte eines Chips, wie etwa "überhitzte Stellen" auf dem Chip, erstrecken, wobei andere Abschnitte des Chips keine Kanäle haben können, und ein Beispiel einer derartigen Ausführungsform ist in 5B gezeigt. Mit Bezug auf 5B umfaßt ein Muster 502 von Kanälen auf einem Chip 505 einen Einlaßfluidbehälter 582 mit einem Einlaß 583 und einen Auslaßfluidbehälter 586 mit einem Auslaß 587. Zwischen den Einlaß- und Auslaßbehältern 582, 586 befinden sich Kanäle 560 (wobei mindestens Abschnitte der Wände der Kanäle 506 Diamantstrukturen umfassen). Die Kanäle gehen jedoch durch Abschnitte des Chips 505, die den "überhitzten Stellen" 589a, 589b und 589c entsprechen, während andere Abschnitte des Chips 505 keine Kanäle aufweisen.

Bei den Ausführungsformen von 5A und 5B umfaßten die auf dem Chip angeordneten Kanalmuster Fluideinlaß- und Fluidauslaßbehälter. Bei anderen Ausführungsformen können die Fluideinlaß- und Fluidauslaßbehälter (sowie ein Fluideinlaß und -auslaß) auf einem anderen Bauteil (z.B. einer Abdeckung, einem integrierten Wärmeverteiler, usw.) angeordnet sein, und deshalb werden diese Elemente eventuell nicht auf dem Chip gebildet. Eine derartige Ausführungsform ist beispielhaft in 5C abgebildet. Mit Bezug auf 5C umfaßt ein Muster 503 von Kanälen auf einem Chip 505 eine Anzahl von Kanälen 560 (durch Diamantstrukturen 550 getrennt), die sich über den Chip erstrecken. Die Kanäle 560 erstrecken sich im Wesentlichen über die Länge des Chips, und das Kanalmuster umfaßt keine Einlaß- und Auslaßfluidbehälter.

Noch einmal mit Bezug auf 1 kann das Substrat in einzelne Chips (Dies) zerschnitten werden, wie in Block 160 dargelegt. Dies ist in 2H abgebildet, welche den Chip 205a nach dem Aussondern aus dem Rest des Substrats 210 zeigt. Der Chip 205a umfaßt ein Muster aus Kanälen 260, die Teil eines Fluidkühlsystems für den Chip sein können. Wieder wie oben bemerkt, kann das Substrat 210, obwohl in 2A bis 2G zur Vereinfachung der Abbildung nur zwei Chips gezeigt sind, Schaltungen (und Kanäle 260) für eine beliebige Anzahl von Chips umfassen (z.B. mehrere Hundert).

Wie in Block 170 von 1 angegeben, kann eine Abdeckung an dem Chip bzw. Die angebracht sein. Dies ist in 2I abgebildet, die eine Abdeckung 270 zeigt, die an dem Chip 205a befestigt wurde, um eine integrierte Schaltkreisvorrichtung 200 zu bilden. Die Abdeckung 270 ist über den Kanälen 260 (und dem Substrat 210 des Chips 205a) angeordnet, um einen geschlossenen Fluidweg zu bilden. Die Abdeckung kann aus einem beliebigen Material bestehen – und eine beliebige geeignete Form und Ausgestaltung aufweisen –, das mit den oberen Enden der Diamantstrukturen 250 (und den sich nach oben erstreckenden Abschnitten 218 des Chipsubstrats 210) eine Dichtung bilden kann. Beispiele von Materialien, die verwendet werden können, um die Abdeckung 270 aufzubauen, umfassen Diamant, Silizium, Glas, Metall, Keramik und dergleichen. Die Abdeckung 270 kann unter Verwendung einer beliebigen geeigneten Verbindungstechnik an dem Chip 205a befestigt werden. Beispielhaft kann die Abdeckung an dem Chip unter Verwendung von Diffusions-Kontaktherstellung, Kleben oder durch ein Zinnaufschmelzverfahren an dem Chip befestigt werden.

Bei einer Ausführungsform kann eine integrierte Schaltkreisvorrichtung (z.B. die Vorrichtung 200 aus 21) an einem Baugruppensubstrat (oder alternativ an einem Bauteil des nächsten Niveaus, wie etwa einer Hauptplatine oder einer anderen Leiterplatte) befestigt sein. Dies ist beispielhaft in 6 abgebildet, die ein Gerät 600 zeigt. Das Gerät 600 umfaßt eine integrierte Schaltkreisvorrichtung (IC) 200 mit Kanälen 260, die nach einer der offenbarten Ausführungsformen gebildet sind. Das Gerät 600 umfaßt ferner ein Baugruppensubstrat (oder eine andere Platine) 610, und die IC-Vorrichtung 200 ist auf diesem Substrat 610 angeordnet. Die IC-Vorrichtung 200 ist elektrisch (und mechanisch) mit einer ersten Seite 611 des Baugruppensubstrats 610 über eine Anordnung von Zusammenschaltungen 618 (z.B. leitenden Höckern oder Kolonnen, usw.) gekoppelt, die mit einer entsprechenden Anordnung von Zusammenschaltungen (z.B. leitenden Kontaktflecken, Kontaktflächen, Höckern oder Kolonnen, usw.) kontaktiert sind, die auf der ersten Seite 611 des Substrats angeordnet sind. Eine Schicht aus Unterfüllmaterial (in der Figur nicht gezeigt) kann ebenfalls zwischen der IC-Vorrichtung 200 und dem Substrat 610 angeordnet sein. Das Substrat 610 leitet Signalleitungen von den Zusammenschaltungen 618 zu einer Anordnung von Zusammenschaltungen 619 (z.B. leitenden Höckern, Kolonnen oder Stiften, usw.), die auf einer gegenüberliegenden zweiten Seite 612 des Substrats 610 angeordnet ist. Die Zusammenschaltungen 619 können verwendet werden, um das Gerät 600 elektrisch (und mechanisch) an ein Bauteil des nächsten Niveaus (z.B. eine Hauptplatine oder eine andere Leiterplatte) zu koppeln. Zudem kann das Gerät 600 einen Fluideinlaß 683 und einen Fluidauslaß 687 umfassen, um das Gerät mit einem Fluidkühlsystem zu koppeln, und ein Beispiel eines derartigen Fluidkühlsystems wird in 7 gezeigt und nachstehend beschrieben. Teile eines derartigen Fluidkühlsystems können auf Abschnitten des Baugruppensubstrats 610 und/oder auf einem Bauteil des nächsten Niveaus (z.B. einer Hauptplatine oder einer anderen Platine) angeordnet sein.

Als nächstes mit Bezug auf 7 bildet diese eine Ausführungsform eines Fluidkühlsystems 700 für eine integrierte Schaltkreisvorrichtung ab (z.B. das Gerät 600 aus 6 oder die Vorrichtung 200 aus 2I). Das Fluidkühlsystem 700 umfaßt einen Chip 705 oder eine andere Wärmequelle, und dieser Chip ist thermisch mit einem Mikrokanal-Wärmetauscher 710 gekoppelt. Bei einer Ausführungsform umfaßt der Mikrokanal-Wärmetauscher 710 eine Anzahl von Kanälen, die auf dem Chip angeordnet sind, und Wände aufweisen, die aus Diamant bestehen und nach einem der oben beschriebenen Ausführungsformen gebildet sind. Eine Fluidversorgungsleitung 720 ist an einen Einlaß des Mikrokanal-Wärmetauschers 710 gekoppelt, während eine Fluidrückleitung 730 an einen Auslaß des Mikrokanal-Wärmetauschers gekoppelt ist. Die Rückleitung 730 ist an den Einlaß eines anderen Wärmetauschers 740 gekoppelt, und dieser Wärmetauscher umfaßt einen Auslaß, der mit der Versorgungsleitung 720 gekoppelt ist. Das Kühlsystem 700 umfaßt ferner eine Pumpe 750, die auf der Versorgungsleitung 720 angeordnet ist (oder an einer anderen Stelle, wie die Rückleitung 730), um ein Kühlmedium durch das Kühlsystem laufen zu lassen (wobei die Richtung der mittleren Fluidbewegung allgemein durch Pfeile bezeichnet ist).

Bei einer Ausführungsform bilden der Mikrokanal-Wärmetauscher 710, die Fluidversorgungsleitung 720, die Fluidrückleitung 730, der Wärmetauscher 740 und die Pumpe 750 ein Fluidkühlsystem im geschlossenen Kreislauf. Unter von der Pumpe 750 erzeugtem Druck wird das Kühlmedium dazu gebracht, in den Mikrokanal-Wärmetauscher 710 zu fließen. In dem Mikrokanal-Wärmetauscher 710 nimmt das Kühlmedium Wärme auf, die von dem Chip 705 erzeugt wird, wodurch der Chip abgekühlt wird. Das erhitzte Fluid fließt dann durch die Rückleitung 730 zum Wärmetauscher 740, der die Wärme aus dem Fluid an die Umgebung abgibt, wodurch das Fluid abgekühlt wird. Das abgekühlte Fluid wird dann in die Versorgungsleitung 720 zurückgegeben und zum Mikrokanal-Wärmetauscher 710 zurückgeschickt. Bei einer Ausführungsform können zumindest einige (oder vielleicht auch alle) der Bauteile des Fluidkühlsystems 700 – z.B. die Fluidversorgungs- und Fluidrückleitungen 720, 730, der Wärmetauscher 740 und die Pumpe 750 – auf derselben Platine (oder einem anderen Substrat oder Bauteil) angeordnet sein wie der Chip 705 und der Mikrokanal-Wärmetauscher 710. Wie es der Leser verstehen wird, ist das oben beschriebene Fluidkühlsystem 700 nur ein Beispiel eines Fluidkühlsystems und ferner sind die offenbarten Ausführungsformen in andersartigen Kühlsystemen anwendbar.

Mit Bezug auf 8 ist eine Ausführungsform eines Computersystems 800 abgebildet. Das Computersystem 800 umfaßt einen Bus 805, an den diverse Bauteile gekoppelt sind. Der Bus 805 ist dazu gedacht, eine Reihe von einem oder mehreren Bussen – z.B. einem Systembus, einem PCI-Bus ("Peripheral Component Interface"), einem SCSI-Bus ("Small Computer System Interface"), usw. – darzustellen, welche die Bauteile des Systems 800 zusammenschalten. Die Darstellung dieser Busse als einzelner Bus 805 wird zum einfacheren Verständnis bereitgestellt, und es versteht sich, daß das System 800 nicht derart beschränkt ist. Der Fachmann wird verstehen, daß das Computersystem 800 eine beliebige geeignete Busarchitektur und eine beliebige Anzahl und Kombination von Bussen aufweisen kann.

Mit dem Bus 805 ist eine Verarbeitungsvorrichtung (bzw. Vorrichtungen) 810 gekoppelt. Die Verarbeitungsvorrichtung 810 kann eine beliebige Verarbeitungsvorrichtung bzw. ein beliebiges Verarbeitungssystem umfassen, mit einem Mikroprozessor (z.B. einem Einkern- oder Mehrkernprozessor), einem Netzwerkprozessor, einem anwendungsspezifischen Schaltkreis (ASIC) oder einem frei programmierbaren Gatter (FPGA) oder einer ähnlichen Vorrichtung. Es ist zu beachten, daß obwohl 8 eine einzelne Verarbeitungsvorrichtung 810 zeigt, das Computersystem 800 zwei oder mehrere Verarbeitungsvorrichtungen umfassen kann.

Das Computersystem 800 umfaßt auch einen mit dem Bus 805 gekoppelten Systemspeicher, wobei der Systemspeicher z.B. eine beliebige geeignete Art und Anzahl von Speichern umfaßt, wie etwa einen statischen Direktzugriffsspeicher (SRAM), einen dynamischen Direktzugriffsspeicher (DRAM), einen synchronen DRAM (SDRAM) oder einen DRAM mit doppelter Datenübertragungsgeschwindigkeit (DDRDRAM). Während des Betriebs des Computersystems 800 können ein Betriebssystem und andere Anwendungen im Systemspeicher 820 vorliegen.

Das Computersystem 800 kann ferner einen Festspeicher (ROM) 830 umfassen, der mit dem Bus 805 gekoppelt ist. Der ROM 830 kann Anweisungen für die Verarbeitungsvorrichtung 810 speichern. Das System 800 kann auch eine Speichervorrichtung (bzw. Vorrichtungen) 840 umfassen, die mit dem Bus 805 gekoppelt ist (bzw. sind). Die Speichervorrichtung 840 umfaßt einen beliebigen geeigneten nichtflüchtigen Speicher, wie etwa eine Festplatte. Das Betriebssystem und andere Programme können in der Speichervorrichtung 840 gespeichert sein. Ferner kann eine Vorrichtung 850 zum Zugriff auf auswechselbare Datenträger (z.B. ein Diskettenlaufwerk oder ein CD-ROM-Laufwerk) mit dem Bus 805 gekoppelt sein.

Das Computersystem 800 kann auch eine oder mehrere I/O (Ein-/Ausgabe) Vorrichtungen 860 umfassen, die mit dem Bus 805 gekoppelt sind. Zu den gewöhnlichen Eingabevorrichtungen gehören Tastaturen, Zeigevorrichtungen, wie etwa eine Maus, sowie andere Dateneingabevorrichtungen, während zu den gewöhnlichen Ausgabevorrichtungen Videodisplays, Druckvorrichtungen und Tonausgabevorrichtungen gehören. Man wird verstehen, daß dies nur ein paar Beispiele der Arten von I/O-Vorrichtungen sind, die mit dem Computersystem 800 gekoppelt sein können.

Das Computersystem 800 kann ferner eine Netzwerkschnittstelle 870 umfassen, die mit dem Bus 805 gekoppelt ist. Die Netzwerkschnittstelle 870 umfaßt beliebige geeignete Hardware, Software oder eine Kombination aus Hardware und Software, die in der Lage ist, das System 800 mit einem Netzwerk zu koppeln (z.B. eine Netzwerkschnittstellenkarte). Die Netzwerkschnittstelle 870 kann eine Verbindung mit dem Netzwerk (bzw. Netzwerken) über einen beliebigen geeigneten Datenträger – z.B. Funk, Kupferdraht, optische Fasern oder eine Kombination davon – herzustellen, der den Informationsaustausch über ein beliebiges geeignetes Protokoll unterstützt – z.B. TCP/IP ("Transmission Control Protocol/Internet Protocol"), HTTP ("Hyper-Text Transmission Protocol") und dergleichen.

Es versteht sich, daß das in 8 abgebildete Computersystem 800 dazu gedacht ist, eine beispielhafte Ausführungsform eines derartigen Systems darzustellen, und ferner, daß dieses System viele zusätzliche Bauteile umfassen kann, die zur Verdeutlichung und Vereinfachung des Verständnisses ausgelassen wurden. Beispielsweise kann das System 800 einen DMA (direkter Speicherzugriff) Controller, ein zur Verarbeitungsvorrichtung 810 gehörendes Chipset, zusätzlichen Speicher (z.B. Cache-Speicher) sowie zusätzliche Signalleitungen und Busse umfassen. Es versteht sich ebenfalls, daß das Computersystem 800 nicht unbedingt alle der in 8 gezeigten Bauteile umfaßt. Das Computersystem 800 kann jede Art von Computervorrichtung, wie etwa einen Desktop-Computer, einen Laptop-Computer, einen Server, eine tragbare Computervorrichtung (z.B. einen "Personal Digital Assistant" bzw. PDA), eine Funkkommunikationsvorrichtung, ein Unterhaltungssystem, usw. umfassen.

Bei einer Ausführungsform umfaßt das Computersystem 800 ein Bauteil, der nach einer der oben beschriebenen Ausführungsformen aufgebaut ist. Die Verarbeitungsvorrichtung 810 des Systems 800 kann z.B. einen Chip mit Kanälen mit Wänden umfassen, die aus Diamant bestehen, wie oben beschrieben. Diese Kanäle können Teil eines Fluidkühlsystems zum Abkühlen der Verarbeitungsvorrichtung 810 sein. Es versteht sich jedoch, daß andere Bauteile des Systems 800 (z.B. die Netzwerkschnittstelle 870, usw.) eine Vorrichtung umfassen können, die nach einer der offenbarten Ausführungsformen gebildet ist.

Die vorhergehende ausführliche Beschreibung und die beiliegenden Zeichnungen sind nur beispielhaft und nicht einschränkend. Sie wurden hauptsächlich für ein klares und umfassendes Verständnis der offenbarten Ausführungsformen bereitgestellt, und es können daraus keine unnötigen Einschränkungen gezogen werden. Zahlreiche Ergänzungen, Streichungen und Änderungen für die hier beschriebenen Ausführungsformen, sowie alternative Anordnungen, kann der Fachmann erdenken, ohne vom Geist der offenbarten Ausführungsformen und vom Umfang der beiliegenden Ansprüche abzuweichen.


Anspruch[de]
Verfahren, das die folgenden Schritte umfaßt:

– Bilden eines Grabens auf einem Substrat, wobei das Substrat ein Halbleitermaterial umfaßt;

– Bilden einer wärmeleitenden Struktur in dem Graben, wobei die wärmeleitende Struktur Diamant oder diamantartiges Material umfaßt; und

– Entfernen eines Bereichs des Substrats neben der wärmeleitenden Struktur, so daß ein Kanal gebildet wird, wobei die wärmeleitende Struktur eine Wand des Kanals bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Bereich der wärmeleitenden Struktur in dem Substrat eingebettet bleibt. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Wand des Kanals durch das Substrat bereitgestellt wird. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Halbleitermaterial Silizium umfaßt. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das diamantartige Material diamantartigen Kohlenstoff umfaßt. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bilden einer wärmeleitenden Struktur in dem Graben folgende Schritte umfaßt:

– Bilden einer Saatschicht auf Oberflächen des Grabens; und

– Aufwachsen von Diamant aus der Saatschicht unter Verwendung eines Verfahrens durch Abscheiden aus der Gasphase (CVD).
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Saatschicht eine Anzahl von Diamantteilchen umfaßt, die auf den Grabenoberflächen angeordnet sind. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Saatschicht aufgerauhte Abschnitte auf den Grabenoberflächen umfaßt. Verfahren, das die folgenden Schritte umfaßt:

– Bilden einer Anzahl von Gräben auf einer Seite eines Wafers, wobei der Wafer Silizium umfaßt;

– Bilden einer Vielzahl von Keimbildungsstellen auf den Oberflächen der Gräben;

– Aufwachsen von Diamant aus den Keimbildungsstellen, so daß Diamantstrukturen in den Gräben gebildet werden;

– Entfernen von Abschnitten des Substrats, so daß eine Anzahl von Kanälen gebildet wird, wobei mindestens eine Wand jedes Kanals von einer der Diamantstrukturen zur Verfügung gestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei ein Abschnitt jeder Diamantstruktur im Wafer eingebettet bleibt. Verfahren nach Anspruch 9, wobei mindestens eine Bodenwand jedes Kanals den Wafer umfaßt. Verfahren nach Anspruch 9, das ferner ein Bilden von Schaltungen für eine Anzahl von integrierten Schaltkreischips auf einer gegenüberliegenden Seite des Wafers umfaßt: Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Schaltungen nach dem Bilden der Diamantstrukturen gebildet werden. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Schaltungen vor dem Bilden der Gräben gebildet werden. Verfahren nach Anspruch 12, das ferner ein Zerschneiden des Wafers in die Anzahl von integrierten Schaltkreischips umfaßt. Verfahren nach Anspruch 15, das ferner ein Befestigen einer Abdeckung an einem der integrierten Schaltkreischips umfaßt, wobei die Abdeckung über den Kanälen liegt, die auf dem einen Chip gebildet sind. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Bilden einer Vielzahl von Keimbildungsstellen auf den Oberflächen der Gräben folgende Schritte umfaßt:

– Abscheiden eines Schlamms in die Gräben, wobei der Schlamm Diamantteilchen enthält, die in einem Lösemittel verteilt sind;

– Agitieren des Schlamms, um das Haften der Diamantteilchen an den Grabenoberflächen zu unterstützen; und

– Verdampfen des Lösemittels, wobei die Diamantteilchen an den Grabenoberflächen haften bleiben.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Bilden einer Vielzahl von Keimbildungsstellen auf den Oberflächen der Gräben das Aufrauhen mindestens von Bereichen auf den Grabenoberflächen umfaßt. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Grabenoberflächen mittels eines Silizium-Tiefenätzverfahrens (DRIE) aufgerauht werden. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Diamant aus den Keimbildungsstellen mittels eines Verfahrens durch Abscheidung aus der Gasphase (CVD) aufgewachsen wird. Vorrichtung, die umfaßt:

– einen Die aus Silizium, wobei der Die Schaltungen aufweist, die auf einer Vorderseite angeordnet sind;

– eine Anzahl von Kanälen, die auf einer gegenüberliegenden Rückseite des Dies angeordnet sind, wobei eine Wand jedes der Kanäle durch eine Anzahl von Diamantstrukturen bereitgestellt wird; und

– eine Abdeckung, die an dem Die befestigt ist, wobei die Abdeckung über den Kanälen liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei eine Wand von jedem der Kanäle durch den Silizium-Die bereitgestellt wird. Vorrichtung nach Anspruch 21, wobei die Diamantstrukturen in dem Silizium-Die eingebettet sind. System, das umfaßt:

– eine Platine;

– eine auf der Platine angeordnete Speichervorrichtung;

– eine Verarbeitungsvorrichtung, die auf der Platine angeordnet ist und mit der Speichervorrichtung gekoppelt ist, wobei die Verarbeitungsvorrichtung einen Die umfaßt, der Schaltungen, die auf einer Vorderseite angeordnet sind, und eine Anzahl von Kanälen, die auf einer gegenüberliegenden Rückseite angeordnet sind, aufweist, wobei eine Wand von jedem der Kanäle durch eine von einer Anzahl von Diamantstrukturen bereitgestellt wird, wobei die Verarbeitungsvorrichtung ferner eine Abdeckung umfaßt, die an dem Die befestigt ist und über den Kanälen liegt; und

– ein Fluidkühlsystem in einem geschlossenem Kreislauf das mit der Anzahl von Kanälen gekoppelt ist.
System nach Anspruch 24, wobei eine Wand von jedem der Kanäle durch den Die bereitgestellt wird, wobei der Chip aus Silizium besteht. System nach Anspruch 24, wobei die Diamantstrukturen in dem Die eingebettet sind. System nach Anspruch 24, wobei die Anzahl von Kanälen ein Muster umfaßt, das einen Fluideinlaß, der mit dem Fluidkühlsystem im geschlossenen Kreislauf gekoppelt ist, und einen Fluidauslaß, der mit dem Fluidkühlsystem gekoppelt ist, umfaßt. System nach Anspruch 27, wobei das Fluidkühlsystem im geschlossenen Kreislauf folgendes umfaßt:

– eine Fluidversorgungsleitung, die mit dem Fluideinlaß gekoppelt ist;

– eine Fluidrückleitung, die mit dem Fluidauslaß gekoppelt ist;

– einen Wärmetauscher, der sowohl mit der Versorgungsleitung als auch mit der Rückleitung gekoppelt ist; und

– eine Pumpe, um ein Kühlmedium durch das Fluidkühlsystem im geschlossenen Kreislauf zu bewegen.






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