W dziedzinie produkcji półprzewodników, która dąży do najwyższej precyzji, współczynnik rozszerzalności cieplnej jest jednym z podstawowych parametrów wpływających na jakość produktu i stabilność produkcji. W całym procesie, od fotolitografii, trawienia do pakowania, różnice we współczynnikach rozszerzalności cieplnej materiałów mogą zakłócać dokładność produkcji na różne sposoby. Jednak podstawa granitowa, z jej ultraniskim współczynnikiem rozszerzalności cieplnej, stała się kluczem do rozwiązania tego problemu.
Proces litografii: Deformacja termiczna powoduje odchylenie wzoru
Fotolitografia jest kluczowym etapem w produkcji półprzewodników. Za pomocą maszyny do fotolitografii wzory obwodów na masce są przenoszone na powierzchnię wafla pokrytego fotorezystem. Podczas tego procesu kluczowe znaczenie ma zarządzanie temperaturą wewnątrz maszyny do fotolitografii i stabilność stołu roboczego. Weźmy na przykład tradycyjne materiały metalowe. Ich współczynnik rozszerzalności cieplnej wynosi około 12×10⁻⁶/℃. Podczas pracy maszyny do fotolitografii ciepło generowane przez źródło światła laserowego, soczewki optyczne i elementy mechaniczne spowoduje wzrost temperatury sprzętu o 5-10 ℃. Jeśli stół roboczy maszyny do litografii wykorzystuje metalową podstawę, podstawa o długości 1 metra może spowodować odkształcenie rozszerzające o 60-120 μm, co doprowadzi do przesunięcia względnego położenia maski i wafla.
W zaawansowanych procesach produkcyjnych (takich jak 3 nm i 2 nm) odstęp między tranzystorami wynosi zaledwie kilka nanometrów. Tak niewielkie odkształcenie termiczne wystarcza, aby spowodować nieprawidłowe wyrównanie wzoru fotolitograficznego, co prowadzi do nieprawidłowych połączeń tranzystorów, zwarć lub rozwarć obwodów i innych problemów, które bezpośrednio skutkują awarią funkcji układu scalonego. Współczynnik rozszerzalności cieplnej podstawy granitowej wynosi zaledwie 0,01 μm/°C (tj. (1-2) ×10⁻⁶/℃), a odkształcenie przy tej samej zmianie temperatury wynosi zaledwie 1/10-1/5 odkształcenia metalu. Może zapewnić stabilną platformę nośną dla maszyny do fotolitografii, zapewniając precyzyjne przeniesienie wzoru fotolitograficznego i znacznie poprawiając wydajność produkcji układu scalonego.
Trawienie i osadzanie: Wpływ na dokładność wymiarową konstrukcji
Trawienie i osadzanie to kluczowe procesy konstruowania trójwymiarowych struktur obwodów na powierzchni wafla. Podczas procesu trawienia reaktywny gaz ulega reakcji chemicznej z materiałem powierzchni wafla. Tymczasem elementy takie jak zasilanie RF i sterowanie przepływem gazu wewnątrz urządzenia generują ciepło, powodując wzrost temperatury wafla i elementów urządzenia. Jeśli współczynnik rozszerzalności cieplnej nośnika wafla lub podstawy urządzenia nie odpowiada współczynnikowi wafla (współczynnik rozszerzalności cieplnej materiału krzemowego wynosi około 2,6×10⁻⁶/℃), naprężenie cieplne zostanie wygenerowane przy zmianie temperatury, co może spowodować drobne pęknięcia lub odkształcenia na powierzchni wafla.
Tego rodzaju odkształcenie wpłynie na głębokość trawienia i pionowość ściany bocznej, powodując, że wymiary wytrawionych rowków, otworów przelotowych i innych struktur będą odbiegać od wymagań projektowych. Podobnie w procesie osadzania cienkich warstw różnica w rozszerzalności cieplnej może powodować naprężenia wewnętrzne w osadzonej cienkiej warstwie, co prowadzi do problemów, takich jak pękanie i łuszczenie się warstwy, co wpływa na parametry elektryczne i długoterminową niezawodność układu scalonego. Zastosowanie podstaw granitowych o współczynniku rozszerzalności cieplnej podobnym do współczynnika materiałów krzemowych może skutecznie zmniejszyć naprężenia cieplne i zapewnić stabilność i dokładność procesów trawienia i osadzania.
Etap pakowania: Niedopasowanie termiczne powoduje problemy z niezawodnością
Na etapie pakowania półprzewodników niezwykle ważna jest zgodność współczynników rozszerzalności cieplnej między chipem a materiałem opakowania (takim jak żywica epoksydowa, ceramika itp.). Współczynnik rozszerzalności cieplnej krzemu, materiału rdzenia chipów, jest stosunkowo niski, podczas gdy współczynnik większości materiałów opakowaniowych jest stosunkowo wysoki. Gdy temperatura chipa zmienia się podczas użytkowania, między chipem a materiałem opakowania wystąpi naprężenie cieplne z powodu niedopasowania współczynników rozszerzalności cieplnej.
To naprężenie cieplne, pod wpływem powtarzających się cykli temperaturowych (takich jak ogrzewanie i chłodzenie podczas pracy układu scalonego), może prowadzić do pękania zmęczeniowego połączeń lutowanych między układem scalonym a podłożem opakowania lub powodować odpadanie przewodów łączących na powierzchni układu scalonego, co ostatecznie prowadzi do awarii połączenia elektrycznego układu scalonego. Wybierając materiały podłoża opakowania o współczynniku rozszerzalności cieplnej zbliżonym do współczynnika materiałów krzemowych i używając granitowych platform testowych o doskonałej stabilności termicznej do wykrywania dokładności podczas procesu pakowania, problem niedopasowania termicznego można skutecznie zmniejszyć, można poprawić niezawodność opakowania i wydłużyć żywotność układu scalonego.
Kontrola środowiska produkcyjnego: skoordynowana stabilność sprzętu i budynków fabrycznych
Oprócz bezpośredniego wpływu na proces produkcyjny, współczynnik rozszerzalności cieplnej jest również związany z ogólną kontrolą środowiskową fabryk półprzewodników. W dużych warsztatach produkcyjnych półprzewodników czynniki takie jak uruchamianie i zatrzymywanie systemów klimatyzacji oraz rozpraszanie ciepła przez klastry urządzeń mogą powodować wahania temperatury otoczenia. Jeśli współczynnik rozszerzalności cieplnej podłogi fabryki, baz urządzeń i innej infrastruktury jest zbyt wysoki, długotrwałe zmiany temperatury spowodują pękanie podłogi i przesunięcie fundamentów urządzeń, co wpłynie na dokładność precyzyjnego sprzętu, takiego jak maszyny do fotolitografii i maszyny do trawienia.
Dzięki zastosowaniu granitowych podstaw jako podpór urządzeń i połączeniu ich z materiałami budowlanymi o niskim współczynniku rozszerzalności cieplnej można stworzyć stabilne środowisko produkcyjne, co pozwala zmniejszyć częstotliwość kalibracji urządzeń i koszty konserwacji spowodowane odkształceniami termicznymi środowiska oraz zapewnić długoterminową stabilną pracę linii produkcyjnej półprzewodników.
Współczynnik rozszerzalności cieplnej przechodzi przez cały cykl życia produkcji półprzewodników, od wyboru materiału, kontroli procesu, po pakowanie i testowanie. Wpływ rozszerzalności cieplnej musi być ściśle brany pod uwagę w każdym ogniwie. Podstawy granitowe, dzięki swojemu ultraniskiemu współczynnikowi rozszerzalności cieplnej i innym doskonałym właściwościom, zapewniają stabilną fizyczną podstawę dla produkcji półprzewodników i stają się ważną gwarancją promowania rozwoju procesów produkcji chipów w kierunku wyższej precyzji.
Czas publikacji: 20-05-2025