Annons

Mäter värmeavgivning i nm-skalan

Överhettning är ett stort problem för de mikroprocessorer som finns i våra elektronikprylar. Nu har en forskargrupp vid UCLA och USC gjort ett genombrott som kan göra det möjligt för ingenjörer att konstruera mikroprocessorer som minimerar det problemet: De har utvecklat en termobildteknik som kan "se" hur temperaturen ändras från en punkt till en annan inuti de allra minsta elektroniska kretsarna.

Bilden visar en fokuserad elektronstråle som penetrerar en 100 nanometer bred aluminiumtråd ovanpå tunt glas. Trådens temperatur avbildas genom avsökning med en elektronstråle.
Bild: CEMMA and Regan Group

Enligt forskarna kan tekniken, som kallas Plasmon Energy Expansion Thermometry (PEET), gör det möjligt att kartlägga temperaturer i enheter så små som en nanometer. Detta krossar det tidigare rekordet för upplösning vid termisk avbildning och så småningom kan detta leda till snabbare och mer kapabel elektronik.

Resultaten redovisades i en artikel i Science den 6 februari. Studien visar – på atomnivå – hur värme sprider sig längs en liten aluminiumtråd som värms i ena änden.

Moderna mikroelektroniska kretsar innehåller miljarder transistorer i nanometerskalan. Även om varje transistor bara genererar en mycket liten del värme kan många transistorer som är aktiva samtidigt göra ett chip väldigt varmt.

För att bättre förstå precis var värmen genereras vill ingenjörer kunna kartlägga temperaturen i små elektroniska kretsar. För närvarande använder de en av två termiska avbildningstekniker: fånga in den infraröda strålningen eller dra en liten termometer fram och tillbaka över kretsens yta.

Men båda dessa standardtekniker har grundläggande begränsningar. Strålningsbaserade termometrar kämpar för att hitta en lösning för kretsar som är mindre än våglängder hos den detekterade strålningen, vilken vanligtvis är flera tusen nanometer. Och att föra en termometer i kontakt med en liten krets stör i allmänhet kretsens temperatur. Ingen av dessa båda metoder kan klara den upplösning som krävs för att "se" de aktiva särdragen hos transistorer som vanligtvis är i skalan 22 nanometer eller mindre.

Utan ett sätt att kunna mäta temperaturen på extremt små kretsar arbetar tillverkarna i blindo och får förlita sig på simuleringar för att uppskatta kretsarnas temperaturer. Nu kommer en PEET-kartläggning göra det möjligt för dem att värma en transistor och noggrant kartlägga vilka delar av kretsen som värms upp samt spåra hur värme transporteras bort – kunskap som kan hjälpa ingenjörer att revolutionera utformningen av nanoelektroniken i nästa generations datorkretsar.

Forskningen leddes av Chris Regan, en medlem av UCLA: s California Nanosystems Institute och Matthew Mecklenburg, senior staff scientist vid USC’s Center for Electron Microscopy and Microanalysis.Forskargruppen byggde sin teknik på samma fysiska principer som den glastermometer som uppfanns av Daniel Gabriel Fahrenheit 1724. Fahrenheits termometer mäter temperaturer utifrån förändringar i tätheten hos kvicksilver.

PEET bestämmer temperaturen på samma sätt – att övervaka förändringar i densitet. Men forskargruppen vid UCLA-USC mäter förändringar i täthet inuti den mikroelektroniska kretsen i stället för att använda en separat termometer. I själva verket förvandlas kretsen till sin egen termometer.

Peet kartlägger densiteten genom att använda ett transmissionselektronmikroskop. Forskningsgruppen demonstrerade tekniken genom att värma upp små aluminiumtrådar i den ena änden. De fokuserade mikroskopets elektronstråle på en punkt, svepte den tvärs över tråden och mätte energin i strålens elektroner när de kom ut i andra änden. När dessa passerar genom tråden skapar en del av strålens elektroner laddningsvågor i tråden som kallas plasmoner. Elektronerna förlorar energi för att åstadkomma dessa vågor och forskarna liknar det vid en motorbåt som bränner bensin och skapar svallvågor i en damm. Eftersom energiförlusten är känslig för trådens densitet kan dess temperatur mätas exakt då varmare delar av tråden har en något lägre densitet. När mätningen upprepas tusentals gånger medan den smalt fokuserade strålen rör sig över tråden kunde forskargruppen kartlägga trådens temperatur med en rumslig upplösning i nanometerskalan.

– De gamla teknikerna, som mäter värmeledningsförmågan hos en nanotråd, returnerar en siffra. När vi kartlägger temperaturen med PEET får vi får 10.000 siffror när vi sveper ner över tråden. Det är skillnaden mellan att se en poängställning och att titta på spelet – det ger dig en mycket bättre kunskap om spelarna, säger Regan, docent i fysik och astronomi vid UCLA.

Enligt Mecklenburg, skulle tekniken lätt kunna implementeras av elektroniktillverkare.
– Vad som är särskilt viktigt är att transmissionselektronmikroskop redan är det primära verktyg som används av tillverkarna för att pröva enskilda mikroelektroniska kretsar, säger han. Vi har utvecklat ett sätt att mäta termiska gradienter med samma mikroskop – så det här lämpar sig perfekt. Plötsligt kan tillverkarna ”se” en ny dimension i sina kretsar med de verktyg de redan har.

Forskarna fick stöd av National Science Foundation, FAME (ett forskningsprogram som sponsras av Microelectronics Advanced Research Corporation and Defense Advanced Research Projects Agency) och US Department of Energy.

Comments are closed.