JP2010525607A - 時間と共に変化する空間温度分布の能動制御 - Google Patents

Abstract

一実施形態において、マイクロチップ（１０）は、熱を発生する複数の電子デバイス（１４）及び熱に弱い複数のデバイス（１６）を含む。温度を能動的に制御して、熱を発生する電子デバイスから放出される空間的に不均一であり且つ時間的に変動する熱を補償することを可能にするために、複数の温度制御素子１８が、熱を発生する電子デバイス及び熱に弱いデバイスに対して空間的に分散される。

Description

超小型回路は益々、種々の異種技術を含むようになってきた。たとえば、金属を基にする相互接続の限界を克服するために、相補形金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）デジタル回路にフォトニック相互接続を使用することに関して数多くの研究が行なわれている。たとえば、シリコンを基にするＣＭＯＳデバイスが第１のウェーハ上に形成され、リン化インジウムを基にするフォトニックデバイスが第２のウェーハ上に形成される場合がある。その後、第１及び第２のウェーハが互いに結合されて、超小型回路が完成する。

異種技術を組み合わせる際の１つの大きな難題は、熱管理の問題である。たとえば、ＣＭＯＳデジタル回路は、非常に大量の熱（たとえば、１００Ｗ／ｃｍ²）を生成する可能性がある。ＣＭＯＳは比較的熱の影響を受けにくいが、あまりにも大量の熱がそのまま蓄積していく場合には、デバイスへの損傷を避けるために、超小型回路から熱を除去する必要がある。典型的には、熱除去は、超小型回路を或るタイプのヒートシンクに取り付けることを伴ってきた。

しかしながら、技術の中には、熱に非常に弱いものもある。たとえば、導波路、共振器、トランシーバ、格子等のようなフォトニックデバイスは、小さな温度変化（たとえば、０．１℃）でも、とても敏感であり得る。熱に弱いデバイスが、熱を発生するデバイスの極めて近くに配置されるとき、熱に弱いデバイスの性能は劣化するおそれがある。それにもかかわらず、異種のデバイスタイプを組み合わせるという集積度の高い超小型回路を製造することが望まれているので、熱に弱いデバイスと熱を発生するデバイスとを必ずしも分離できるとは限らない。ヒートシンクは、超小型回路から熱を除去するのに役立つことはできるが、熱発生の度合いが変化すると、結果として、超小型回路の温度が変化する可能性が高く、それにより超小型回路内のデバイスの動作が影響を及ぼされる。

本発明の特徴及び利点は、本発明の特徴を合わせて例示として説明する添付の図面と共に考慮される場合に、以下に記載される詳細な説明から明らかになるであろう。

本発明の一実施形態による、能動温度制御を有する超小型回路の側面図である。 本発明の別の実施形態による、能動温度制御を有する超小型回路の側面図である。 本発明の別の実施形態による、能動温度制御を有する超小型回路の側面図である。 本発明の別の実施形態による、能動温度制御を有する超小型回路の側面図である。 本発明の別の実施形態による、能動温度制御を有する超小型回路の側面図である。 図５ａの超小型回路の平面図である。 本発明の別の実施形態による、超小型回路のためのフィードバック制御システムのブロック図である。 本発明の一実施形態による、能動温度制御を有する超小型回路のための制御システム構成要素の１つの構成を示す側面図である。 本発明の別の実施形態による、能動温度制御を有する超小型回路のための制御システム構成要素の１つの構成を示す側面図である。 本発明の別の実施形態による、能動温度制御を有する超小型回路のための制御システム構成要素の１つの構成を示す側面図である。 本発明の一実施形態による、能動温度制御を有するマイクロチップを形成する方法のフローチャートである。

本発明の実施形態を説明する際に、以下の用語が用いられる。

単数形「１つの」及び「その」は、文脈において他に明確に指示されない限り、複数の指示物を含む。したがって、たとえば、「１つのデバイス」を参照することは、１つ又は複数のそのようなデバイスを参照することを含む。

本明細書において用いられるときに、用語「約」は、寸法、サイズ、配合、パラメータ、形状並びに他の量及び特徴が厳密ではなく、また厳密である必要はなく、公差、換算係数、丸め、測定誤差等、及び当業者に知られている他の要因を反映して、所望により近似されてもよく、且つ／又はそれよりも大きいか、若しくは小さくてもよいことを意味する。

ここで、示される例示的な実施形態を参照し、それを説明するために、本明細書において特有の言語を用いる。それにもかかわらず、それにより、本発明の範囲が制限されることを意図していないことは理解されたい。

熱を発生するデバイスと熱に弱いデバイスとを１つの超小型回路内に集積することによって提起される難題を考えると、本発明人らは、超小型回路内の熱を管理するための改善された技法が望まれているものと認識している。したがって、本発明の実施形態は、超小型回路内の能動温度制御によって、空間的に不均一であり、且つ時間的に変動する熱を補償できるようにする技法を含む。たとえば、超小型回路内に複数の温度制御素子を含めて、超小型回路内の熱を発生するデバイスから放出される、空間的に不均一であり且つ時間的に変動する熱を補償するように制御することができる。これは、マイクロチップ内の熱に弱いデバイスのための温度の均一性を改善するのを助けることができる。

本発明の１つの例示的な実施形態は、図１の側面図において例示されるような、能動温度制御を有するマイクロチップである。包括的に１０で示されるマイクロチップは、基板１２を備え、その上に、熱を発生する複数の電子デバイス１４が支持される。たとえば、熱を発生する電子デバイスは、ＣＭＯＳトランジスタ等のようなデバイスを含む場合がある。動作時に、熱を発生する電子デバイスは、空間的に不均一であり、且つ時間的に変動する熱分布によって特徴付けられる熱を放出する。たとえば、プロセッサ超小型回路では、実行される演算のタイプによって、プロセッサ回路の異なる部分が動作状態になり、結果として、熱の空間的な分布が時間と共に変化する。

熱を発生する電子デバイス１４に近接して、熱に弱い複数のデバイス１６も基板１２によって支持される。熱に弱いデバイスは、熱を発生する電子デバイスとは異なる層内に存在する場合があるか（ここで図示される通り）、又は後にさらに説明されるように、共通層内に、熱を発生する電子デバイス共に散在する場合がある。熱に弱いデバイスは、たとえば、受動光学デバイス（たとえば、アド／ドロップフィルタ、導波路等）又は電気光学デバイス（たとえば、変調器、検出器等）、及びそれらの組み合わせの場合がある。

複数の温度制御素子１８も基板１２によって支持され、熱を発生する電子デバイス１４に対して空間的に分散される。温度制御素子を能動的に制御して、熱を発生するデバイスから放出される、空間的に不均一であり且つ時間的に変動する熱を補償することができる。たとえば、温度制御素子は、温度センサ、加熱素子、冷却素子及びそれらの複数又は組み合わせを含むことができる。たとえば、サーミスタ、Ｐ−Ｎ半導体接合部等が温度センサとしての役割を果たすことができる。別の例として、感温構成要素の出力を測定することによって、温度センサを形成することができる。より詳細には、感温フォトニック送信機の中心周波数が、フォトニック送信機の温度に関する情報を与えることができる。加熱デバイスは、抵抗加熱器（たとえば、プラチナ、タンタル又はポリシリコンから形成されるワイヤ）、及びそれらの組み合わせを含むことができる。冷却デバイスは、熱電冷却器等、及びそれらの組み合わせを含むことができる。

超小型回路１０は、たとえば、以下のように形成することができる。熱を発生する電子デバイス１４及び温度制御素子１８を第１の基板（たとえば、シリコンウェーハ）上に形成することができる。熱に弱い電子デバイス１６は、第２の基板（たとえば、シリコン・オン・インシュレータウェーハ又はＩＩＩ−Ｖ族半導体ウェーハ）上に形成することができる。その後、第１の基板及び第２の基板を一緒にして、互いに結合し、マイクロチップを形成することができる。所望により、結合後に、第２の基板を熱に弱いデバイスから分離して、熱に弱いデバイスが第１の基板によってのみ支持されるようにすることができる。

熱に弱いデバイス、熱を発生する電子デバイス、及び温度制御素子の種々の構成が可能である。たとえば、図２は、超小型回路２０の代替の構成を示しており、熱を発生する電子デバイス１４、熱に弱いデバイス１６、及び温度制御素子１８が、基板１２上の共通層２２内に配置される。超小型回路の製造は、たとえば、当該技術分野において知られているようなフォトリソグラフィを用いて、基板の種々のエリア上に種々のデバイスタイプを配設するマルチステップ工程を用いることができる。

図３は、超小型回路３０の別の代替の構成を示しており、熱を発生する電子デバイス１４が基板１２の第１の側にある第１の領域３２内に配置され、熱に弱いデバイス１６は基板の反対側にある第２の領域３４内に配置される。温度制御素子３６、３８は、基板のいずれかの側に分散することができるか、又は両側に含むことができる。言い換えると、温度制御素子は、熱に弱いデバイスと共通の面内に含むことができる。代替的には、温度制御素子は、熱を発生する電子デバイスと共通の面内に含むことができる。どちらの構成がより良いかは、用途による場合がある。たとえば、温度制御素子はＣＭＯＳ技術において製造するのがより容易である場合があり、その場合には、ＣＭＯＳデバイスと同じ側に温度制御素子を含むことが望ましいであろう。温度制御素子の配置に関して他に考慮すべき事柄は後に論考される。たとえば、単一のウェーハ上に両面に形成すること、及び２つ以上のウェーハを互いに結合して完成したデバイスを形成することを含む、超小型回路３０を形成する種々の方法を用いることができる。

別の実施形態では、超小型回路は、熱を分散させるのを助けるために、１つ又は複数の断熱層を含むことができる。たとえば、図４は、超小型回路４０を示しており、熱を発生する電子デバイス１４と、熱に弱い電子デバイス１８との間に断熱層４２が配置される。断熱層は、熱を発生する電子デバイスから熱に弱い電子デバイスに向かって流れる熱の空間分布を均等にするのに役立つことができる。温度制御素子１８は、熱に弱いデバイス１６と同じ面内に配置され、熱に弱いデバイスを細かく温度制御できるようにする。

ここで、能動温度制御を用いるマイクロチップの動作を、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示される例示的な実施形態を参照しながらさらに詳細に説明する。マイクロチップ５０は、熱を発生するデバイス層５２を含み、その層には、熱を発生する複数のＣＭＯＳデバイス５４が配置される。ＣＭＯＳ層には、フィードバック制御回路５６が含まれる。フィードバック制御回路は、垂直導電性バイア５８を通じて、断熱層６０を貫通して、熱に弱いデバイス層６６内の少なくとも１つの温度センサ６２及び少なくとも１つの温度制御素子６４に相互接続される。熱に弱いデバイス層は、熱に弱い複数のフォトニックデバイス６８を含む。電気的相互接続層７０ａ、７０ｂも含まれる場合がある。

動作時に、熱を発生するＣＭＯＳデバイス５４は熱を放出し、その熱は、断熱層６０及び（存在する場合）電気的相互接続層７０ａ、７０ｂを通って、熱に弱いフォトニックデバイス６８に向かって、（Ｚ方向に）伝導する。その熱は、温度センサ６２によって検知される。複数の温度センサを含むことによって、マイクロチップ内の温度の空間分布を検知することができる。詳細には、温度は、熱に弱いデバイス層６６にわたって、水平方向（Ｘ及びＹ座標）において変化することがある。温度センサ（複数可）６２の出力は、フィードバック制御回路５６に与えられ、フィードバック制御回路は、温度制御素子（複数可）６４を制御して、時間的に変動する温度の空間分布を補償することができる。熱に弱いデバイス層にわたって分散される複数の温度制御素子を含むことによって、空間的な変動を補償することができる。フィードバック制御ループを用いて温度制御素子を連続して調整し、時間変動を補償することができる。別の例として、たとえば、サンプリング時間制御ループを用いて（たとえば、フィードバック制御ループを閉じるように計算を実行するマイクロプロセッサ又はマイクロコントローラを用いる）、温度制御素子を周期的に調整して、時間変動を補償することができる。

所望により、温度制御素子（複数可）６４の制御は、時間的に変動する温度空間分布を予測することを含むことができる。たとえば、超小型回路がマイクロプロセッサを含む場合、マイクロプロセッサによって実行される命令に基づいて、生じることになる熱の発生を、（時間及び空間両方の変動に関して）予め予測することができる。熱の発生を予測することによって、能動温度制御の性能を改善できるようになる場合がある。

図６は、本発明の一実施形態による、フィードバック制御ループのブロック図を示す。フィードバック制御ループ８０は、所望の温度に対応する基準値８２を含む。基準値は、温度センサ（複数可）６２によって測定される温度と比較することができる。制御アルゴリズム８４は、温度制御素子（複数可）６４がどのように駆動されるかを決定する。たとえば、基準値と測定された温度との間の差に基づいて、加熱、又は冷却、或いは両方のタイプの温度制御素子を起動することができる。温度制御素子は、チップ内の熱流９０によって決定され、その熱流は、熱を発生するデバイス、マイクロチップの構造、及び温度制御素子によって影響を及ぼされる。フィードバック制御ループは、ハードウエアデバイスにおいて実現される場合がある（たとえば、超小型回路内に含まれるトランジスタ、増幅器、フィルタ等を用いる）。代替的には、フィードバック制御ループは、全体として、又は部分的に、超小型回路内に含まれるマイクロプロセッサ又はマイクロコントローラを用いて実現される場合がある。

たとえば、バングバング、比例、比例−積分−微分等を含む、種々のフィードバック制御ループアルゴリズムを用いることができる。フィードバック制御ループ８０は、たとえば、複数のフィードバック経路を含む場合があり、その場合温度センサ６２は、熱を発生する電子デバイスの近くの場所、及び熱に弱いデバイスの近くの場所に含まれる。予測アルゴリズム８６が、たとえば、電子回路計算負荷情報のような入力８８を受け取り、制御アルゴリズムに供給される付加加熱／冷却要求を予測することができる。

図５（ａ）及び図５（ｂ）に示されるように配置される温度センサ（複数可）６２を用いて、フォトニックデバイス層６６内の時間的に変動する温度空間分布が検知される。しかしながら、上記で言及されたように、別の構成を用いることもできる。たとえば、温度センサは、熱に弱いデバイス層６６内の代わりに、熱を発生するデバイス層５２内に配置することができるか、又は熱を発生するデバイス層及び熱に弱いデバイス層の両方に含むことができる。たとえば、熱を発生するデバイスの近くに配置される温度センサは、温度に関するより迅速な応答及び予測を提供することができ、一方、熱に弱いデバイスの近くに配置される温度センサは、熱に弱いデバイスにおいて、より正確な温度制御を提供することができる。

温度制御素子（複数可）６４は、熱を発生するデバイス層５２内、熱に弱いデバイス層６６内のいずれか、又はその両方の中に配置することもできる。温度センサ（複数可）６２に関しては、温度制御素子が配置される場所に応じて、異なる性能が得られることがある。たとえば、熱を発生するデバイスの近くに温度制御素子を配置することによって、熱の時間的又は空間的特性の変化へのより迅速な応答を得ることができる。一方、温度制御素子を熱に弱いデバイスの近くに配置することによって、熱に弱いデバイスの温度を、より正確に制御できるようになる。どちらの構成が、より良好に機能することになるかは、個別の用途の特徴によるであろう。所望により、温度センサ及び温度制御素子は、種々の場所に含むことができ、複合フィードバックループ制御システム内で用いることができる。

たとえば、図７は、温度センサ６２が電気的相互接続層７０ａ、７０ｂ内に含まれる超小型回路の代替的な構成を示す。たとえば、電気的相互接続層は、電気的に絶縁性の材料（たとえば、ＳｉＯ₂）、導電性トレース（たとえば、アルミニウム又は銅）、及びサーミスタを含むことがある。他の層への相互接続は、上述したように、導電性バイアを通じて行なうことができる。

図８は、フォトニック素子９２が、たとえば、上述したような温度センサとして動作する超小型回路の別の代替的な構成を示す。図９は、温度制御素子が全て、フォトニックデバイスと同じ層内に配置される、さらに別の代替的な構成を示す。

最後に、能動温度制御を有するマイクロチップを形成する方法が、図１０においてフローチャートの形で示される。その方法は、全体として１００で示されており、基板を配設すること（１０２）を含む。たとえば、その基板は、シリコンウェーハとすることができる。また、その方法は、基板によって支持される、熱を発生する複数の電子デバイスを形成すること（１０４）も含む。たとえば、熱を発生する電子デバイスは、当該技術分野において知られているようなフォトリソグラフィを用いて形成することができる。特定の例として、熱を発生する電子デバイスは、上述したように、ＣＭＯＳデバイスであってもよい。

その方法１００は、基板によって支持される、熱に弱い複数のデバイスを形成すること（１０６）も含むことができる。たとえば、熱に弱いデバイスは、フォトリソグラフィを用いて形成することができる。熱に弱いデバイスは、たとえば、上述したように、熱を発生する電子デバイスの上に、下に、又は熱を発生する電子デバイスと共通の層内に形成することができる。熱に弱いデバイスは、基板に結合される別個のウェーハ上に形成されてもよい。熱に弱いデバイスは、上述したように、フォトニックデバイスとすることができる。

方法１００の別のステップは、熱を発生する電子デバイス及び熱に弱いデバイスに対して空間的に分散される複数の温度制御素子を形成すること（１０８）を含むことができる。温度制御素子は、上述したように、熱を発生する電子デバイス及び熱に弱いデバイスに対して種々の位置に配置することができる。たとえば、温度制御素子は、上述したように、熱に弱いデバイスと同時に形成することができる。

種々の形成ステップは、いくつかのステップを同時に実行することを含む、異なる順序において実行できることは理解されよう。デバイスを形成することは、当該技術分野において知られているようなフォトリソグラフィを用いて実行することができる。

要約し、多少繰返し言うと、本発明の実施形態による能動温度制御を有する超小型回路は、マイクロチップ内に含まれる熱に弱いデバイスの性能を改善できるようにする。マイクロチップ内の熱を発生するデバイスによって生成される時間的及び空間的に変動する熱流束は、能動制御ループを介して検知され、補償される。温度検知デバイス及び温度制御デバイスを、所望によりマイクロチップ内に分散し、マイクロチップ内に、温度を制御された領域を設けることができる。個別の能動温度制御システムを有する複数の領域を実装することもできる。

本明細書において記述されるような超小型回路による温度の能動制御によって、ＣＭＯＳデバイスのような高い熱を発生するデバイスの近くにあるときであっても、フォトニック構成要素のような温度の影響を受けやすいデバイスを使用することが可能になる。温度の影響を受けやすいデバイスのために安定した温度を保持することによって、改善された周波数安定性、増幅安定性、及び類似の特性を得ることができる。

これまでの例は、１つ又は複数の特定の用途において本発明の原理を例示しているが、発明力を発揮することなく、且つ本発明の原理及び概念から逸脱することなく、形態、使用法、及び実施態様の細部において多数の変更を加えることができることは当業者には明らかであろう。したがって、本発明は、以下で説明される特許請求の範囲によって制限される場合を除いて、制限されることを意図していない。

Claims (10)

1. 基板（１２）と、
   前記基板によって支持される、熱を発生する複数の電子デバイス（１４）であって、前記熱を発生する電子デバイスは、動作時に、空間的に不均一であり且つ時間的に変動する熱分布によって特徴付けられる熱を放出する、熱を発生する複数の電子デバイスと、
   前記熱を発生する電子デバイスに近接して、前記基板によって支持される熱に弱い複数のデバイス（１６）と、
   温度を能動的に制御して、前記熱を発生するデバイスから放出される前記空間的に不均一であり且つ時間的に変動する熱を補償することを可能にするために、前記基板によって支持され、且つ前記熱を発生する電子デバイスと前記熱に弱いデバイスとに対して空間的に分散される複数の温度制御素子（１８）とを備えることを特徴とする、能動温度制御を有するマイクロチップ（１０、２０、３０、４０、５０）。
2. 前記熱を発生する電子デバイスはＣＭＯＳデバイスであり、前記熱に弱いデバイスは、光学デバイス又は電気光学デバイスのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載のマイクロチップ。
3. 前記熱を発生する電子デバイス、前記熱に弱いデバイス、及び前記複数の温度制御素子は、前記基板上の共通の層（２２）内に配置されることを特徴とする請求項１に記載のマイクロチップ。
4. 前記熱を発生する電子デバイスは、前記基板の第１の側（３２）に配置され、前記熱に弱いデバイスは、前記基板の反対側にある第２の側（３４）に配置されることを特徴とする請求項１に記載のマイクロチップ。
5. 前記温度制御素子及び前記熱に弱いデバイスは、共通の面（４２）内に配置されることを特徴とする請求項１に記載のマイクロチップ。
6. 前記複数の温度制御素子は、少なくとも１つの抵抗加熱器を含み、前記複数の温度制御素子は少なくとも１つの熱電冷却器を含むことを特徴とする請求項１に記載のマイクロチップ。
7. 前記温度制御素子は、閉ループ温度制御システム（８０）の一部として少なくとも１つの温度センサ素子を含むことを特徴とする請求項１に記載のマイクロチップ。
8. 前記熱を発生する複数の電子デバイスと前記熱に弱いデバイスとの間に配置される断熱層（６０）をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のマイクロチップ。
9. 基板を配設し（１０２）、
   前記基板によって支持される、熱を発生する複数の電子デバイスを形成し（１０４）、
   前記基板によって支持される、熱に弱い複数のデバイスを形成し（１０６）、
   温度を能動的に制御して、前記熱を発生する電子デバイスから放出される空間的に不均一であり且つ時間的に変動する熱を補償することを可能にするために、前記熱を発生する電子デバイス及び前記熱に弱いデバイスに対して空間的に分散される複数の温度制御素子を形成すること（１０８）を含むことを特徴とする能動温度制御を有するマイクロチップを形成する方法（１００）。
10. 前記熱を発生する電子デバイスを形成することは、前記基板上に複数のＣＭＯＳデバイスを形成することを含み、
    前記熱に弱いデバイスを形成することは、
    ウェーハ上に複数の光学デバイスを形成し、
    前記ウェーハを前記基板に結合することを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。

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