W branży produkcji półprzewodników, gdzie liczy się najwyższa precyzja, współczynnik rozszerzalności cieplnej jest jednym z kluczowych parametrów wpływających na jakość produktu i stabilność produkcji. W całym procesie, od fotolitografii, przez trawienie, po pakowanie, różnice we współczynnikach rozszerzalności cieplnej materiałów mogą na różne sposoby wpływać na dokładność produkcji. Jednak granitowa podstawa, charakteryzująca się wyjątkowo niskim współczynnikiem rozszerzalności cieplnej, stała się kluczem do rozwiązania tego problemu.
Proces litografii: odkształcenie termiczne powoduje odchylenie wzoru
Fotolitografia to kluczowy etap w produkcji półprzewodników. Za pomocą maszyny do fotolitografii wzory obwodów z maski są przenoszone na powierzchnię wafla pokrytego fotorezystem. W tym procesie kluczowe znaczenie ma zarządzanie temperaturą wewnątrz maszyny do fotolitografii oraz 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 powoduje wzrost temperatury urządzenia o 5-10℃. Jeśli stół roboczy maszyny do litografii wykorzystuje metalową podstawę, podstawa o długości 1 metra może spowodować odkształcenie rozszerzalnościowe o 60-120 μm, co doprowadzi do przesunięcia względnego położenia maski i wafla.
W zaawansowanych procesach produkcyjnych (takich jak 3 nm i 2 nm) odstępy między tranzystorami wynoszą zaledwie kilka nanometrów. Tak niewielkie odkształcenie termiczne wystarcza, aby spowodować rozbieżność wzoru fotolitograficznego, co prowadzi do nieprawidłowych połączeń tranzystorów, zwarć lub przerw w obwodach i innych problemów, a w konsekwencji do awarii funkcji układu scalonego. Współczynnik rozszerzalności cieplnej granitowej podstawy 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 ona stanowić stabilną platformę nośną dla maszyny fotolitograficznej, gwarantując precyzyjne przenoszenie wzoru fotolitograficznego i znacząco poprawiając wydajność produkcji układów scalonych.
Trawienie i osadzanie: Wpływ na dokładność wymiarową konstrukcji
Trawienie i osadzanie to kluczowe procesy budowy trójwymiarowych struktur obwodów na powierzchni wafla. Podczas trawienia gaz reaktywny wchodzi w reakcję chemiczną z materiałem powierzchniowym wafla. Jednocześnie elementy takie jak zasilacz RF i układ sterowania przepływem gazu wewnątrz urządzenia generują ciepło, powodując wzrost temperatury wafla i jego podzespołów. Jeśli współczynnik rozszerzalności cieplnej nośnika wafla lub podstawy urządzenia nie jest zgodny ze współczynnikiem rozszerzalności cieplnej wafla (współczynnik rozszerzalności cieplnej materiału krzemowego wynosi około 2,6×10⁻⁶/℃), zmiany temperatury spowodują powstanie naprężeń termicznych, które mogą spowodować drobne pęknięcia lub odkształcenia na powierzchni wafla.
Tego rodzaju odkształcenia wpływają na głębokość trawienia i pionowość ścianki bocznej, powodując odchylenia wymiarów wytrawionych rowków, otworów przelotowych i innych struktur od wymagań projektowych. Podobnie, w procesie osadzania cienkich warstw, różnica w rozszerzalności cieplnej może powodować naprężenia wewnętrzne w osadzonej cienkiej warstwie, prowadząc do problemów, takich jak pękanie i łuszczenie się warstwy, co wpływa na parametry elektryczne i długoterminową niezawodność układu scalonego. Zastosowanie granitowych podstaw o współczynniku rozszerzalności cieplnej zbliżonym do krzemu może skutecznie zmniejszyć naprężenia cieplne i zapewnić stabilność oraz dokładność procesów trawienia i osadzania.
Etap pakowania: Niedopasowanie termiczne powoduje problemy z niezawodnością
Na etapie obudowy półprzewodnika kluczowe znaczenie ma kompatybilność współczynników rozszerzalności cieplnej między chipem a materiałem obudowy (takim jak żywica epoksydowa, ceramika itp.). Współczynnik rozszerzalności cieplnej krzemu, materiału rdzenia chipów, jest stosunkowo niski, podczas gdy w przypadku większości materiałów obudowy jest on stosunkowo wysoki. Zmiana temperatury chipa podczas użytkowania powoduje naprężenia termiczne między chipem a materiałem obudowy z powodu niedopasowania współczynników rozszerzalności cieplnej.
To naprężenie termiczne, pod wpływem powtarzających się cykli temperaturowych (takich jak nagrzewanie i chłodzenie podczas pracy układu scalonego), może prowadzić do pękania zmęczeniowego połączeń lutowniczych między układem scalonym a podłożem obudowy lub do odpadania połączeń na powierzchni układu scalonego, co ostatecznie prowadzi do uszkodzenia połączenia elektrycznego układu scalonego. Wybierając materiały podłoża obudowy o współczynniku rozszerzalności cieplnej zbliżonym do współczynnika rozszerzalności cieplnej materiałów krzemowych oraz wykorzystując granitowe platformy testowe o doskonałej stabilności termicznej do precyzyjnego wykrywania w procesie pakowania, można skutecznie ograniczyć problem niedopasowania termicznego, poprawić niezawodność obudowy i wydłużyć żywotność układu scalonego.
Kontrola środowiska produkcyjnego: skoordynowana stabilność sprzętu i budynków fabrycznych
Współczynnik rozszerzalności cieplnej, oprócz bezpośredniego wpływu na proces produkcyjny, jest również powiązany z ogólną kontrolą środowiska w fabrykach półprzewodników. W dużych halach produkcyjnych półprzewodników, czynniki takie jak uruchamianie i zatrzymywanie systemów klimatyzacji oraz rozpraszanie ciepła przez zespoły 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, wpływając tym samym na dokładność precyzyjnego sprzętu, takiego jak fotolitografy 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 jest istotny w całym cyklu życia produkcji półprzewodników, od doboru materiałów, kontroli procesu, przez pakowanie, aż po testowanie. Wpływ rozszerzalności cieplnej należy ściśle uwzględniać w każdym ogniwie. Podstawy granitowe, dzięki wyjątkowo niskiemu współczynnikowi rozszerzalności cieplnej i innym doskonałym właściwościom, zapewniają stabilną podstawę fizyczną dla produkcji półprzewodników i stają się ważną gwarancją rozwoju procesów produkcji układów scalonych w kierunku wyższej precyzji.
Czas publikacji: 20-05-2025