Исследователи из Университета Вирджинии (UVA) совершили прорыв в понимании теплопроводности металлов, используемых в микросхемах следующего поколения. Их работа, опубликованная в журнале Nature Communications, подтверждает ключевой принцип, управляющий тепловым потоком в тонких металлических плёнках, что открывает возможности для создания более быстрых, компактных и эффективных устройств.

«Поскольку устройства продолжают уменьшаться, важность управления теплом становится первостепенной. Наши выводы дают план смягчения проблем с теплообменом путём усовершенствования способа прохождения тепла через сверхтонкие металлы, такие как медь», — сказал ведущий исследователь и аспирант кафедры машиностроения и аэрокосмической техники Мд. Рафикул Ислам.

Результаты исследования микроструктуры тонких плёнок меди (Cu) до и после термической обработки (отжига) при высокой температуре (500 °C). На изображениях показано, как выглядят эти плёнки под электронным микроскопом до и после отжига. Исследование показало, что после отжига зёрна в пленках меди увеличились в размерах, но не появились пустоты или поры.
Источник: Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-53441-9

Медь широко используется в микросхемах благодаря своим превосходным проводящим свойствам. Однако, по мере уменьшения размеров устройств до нанометровых, даже самые лучшие материалы испытывают снижение производительности из-за повышенного нагрева. Чтобы решить эту проблему, команда UVA сосредоточилась на правиле Матиссена, которое традиционно помогает предсказывать, как различные процессы рассеяния влияют на поток электронов. Используя новый метод, известный как стационарное термоотражение (SSTR), исследователи подтвердили, что правило Матиссена справедливо даже в наномасштабах для медных плёнок.

«Думайте об этом как о дорожной карте. С подтверждением этого правила у разработчиков микросхем теперь есть надёжное руководство для прогнозирования и контроля того, как будет вести себя тепло в крошечных медных плёнках», — сказал Патрик Э. Хопкинс, соавтор Айзама и профессор инженерии Whitney Stone.

Результаты обещают значительные приложения в разработке полупроводниковых технологий следующего поколения — основы современной электроники. КМОП, или комплементарный металл-оксид-полупроводник, является стандартной технологией для создания интегральных схем, которые управляют всем, от компьютеров и телефонов до автомобильных и медицинских устройств.

Подтвердив правило Матиссена в наномасштабах, исследователи UVA открыли путь к материалам, которые не только обеспечивают более эффективные устройства, но и обладают потенциалом для эффективной экономии энергии в отрасли. В области, где важен каждый градус контроля температуры, эти идеи имеют большой вес для электронной промышленности, делая будущее более холодных, быстрых и устойчивых устройств более достижимым.