V oblasti výroby polovodičů je přesnost klíčem k kvalitě a výkonu produktů. Polovodičová měřicí zařízení, jako klíčový článek pro zajištění přesnosti výroby, klade téměř přísné požadavky na stabilitu svých základních součástí. Mezi nimi hraje žulová platforma se svou vynikající tepelnou stabilitou nepostradatelnou roli v polovodičových měřicích zařízeních. Tento článek provede hloubkovou analýzu tepelné stability žulových platforem v polovodičových měřicích zařízeních na základě skutečných testovacích dat.
Přísné požadavky na tepelnou stabilitu měřicích zařízení při výrobě polovodičů
Výrobní proces polovodičů je extrémně složitý a přesný a šířka obvodových čar na čipu dosáhla nanometrové úrovně. V takovém vysoce přesném výrobním procesu může i sebemenší změna teploty způsobit tepelnou roztažnost a smrštění součástí zařízení, a tím i chyby měření. Například ve fotolitografickém procesu, pokud se přesnost měření měřicího zařízení odchýlí o 1 nanometr, může to způsobit vážné problémy, jako jsou zkraty nebo přerušené obvody v obvodech na čipu, což vede k jeho sešrotování. Podle statistik z oboru může tradiční měřicí zařízení pro kovové materiály při každém kolísání teploty o 1 °C projít rozměrovými změnami o několik nanometrů. Výroba polovodičů však vyžaduje, aby přesnost měření byla kontrolována v rozmezí ±0,1 nanometru, což činí tepelnou stabilitu klíčovým faktorem při určování, zda měřicí zařízení splňuje požadavky na výrobu polovodičů.
Teoretické výhody tepelné stability žulových plošin
Žula, jako druh přírodního kamene, má kompaktní vnitřní minerální krystalizaci, hustou a jednotnou strukturu a přirozenou výhodu tepelné stability. Co se týče koeficientu tepelné roztažnosti, koeficient tepelné roztažnosti žuly je extrémně nízký, obvykle se pohybuje v rozmezí od 4,5 do 6,5×10⁻⁶/K. Naproti tomu koeficient tepelné roztažnosti běžných kovových materiálů, jako jsou hliníkové slitiny, dosahuje až 23,8×10⁻⁶/K, což je několikanásobek oproti žule. To znamená, že za stejných teplotních podmínek je změna rozměrů žulové plošiny mnohem menší než u kovové plošiny, což může poskytnout stabilnější referenční měření pro polovodičová měřicí zařízení.
Krystalová struktura žuly jí navíc propůjčuje vynikající rovnoměrnost vedení tepla. Když provoz zařízení generuje teplo nebo se mění okolní teplota, žulová platforma dokáže teplo rychle a rovnoměrně odvádět, čímž se zabrání lokálnímu přehřátí nebo podchlazení, čímž se efektivně udržuje celková teplotní konzistence platformy a dále se zajišťuje stabilita přesnosti měření.
Proces a metoda měření tepelné stability
Abychom mohli přesně vyhodnotit tepelnou stabilitu žulové platformy v polovodičovém měřicím zařízení, navrhli jsme důkladné schéma měření. Vybrali jsme vysoce přesný měřicí přístroj pro polovodičové destičky, který je vybaven superpřesně opracovanou žulovou platformou. V experimentálním prostředí byl simulován běžný rozsah teplotních změn v dílně na výrobu polovodičů, tj. postupné ohřev z 20 °C na 35 °C a následné ochlazování zpět na 20 °C. Celý proces trval 8 hodin.
Na žulové plošině měřicího přístroje jsou umístěny vysoce přesné standardní křemíkové destičky a k monitorování změn relativní polohy mezi křemíkovými destičkami a plošinou v reálném čase se používají senzory posunu s nanoměřítkovou přesností. Současně je na plošině na různých místech uspořádáno několik vysoce přesných teplotních senzorů, které monitorují rozložení teploty na povrchu plošiny. Během experimentu byla data o posunu a teplotě zaznamenávána každých 15 minut, aby byla zajištěna úplnost a přesnost dat.
Naměřená data a analýza výsledků
Vztah mezi změnami teploty a změnami velikosti plošiny
Experimentální data ukazují, že při zvýšení teploty z 20 °C na 35 °C je změna lineární velikosti žulové platformy extrémně malá. Po výpočtu je maximální lineární roztažnost platformy během celého procesu ohřevu pouze 0,3 nanometru, což je mnohem méně, než je rozsah tolerance chyby pro přesnost měření v procesech výroby polovodičů. Během fáze chlazení se velikost platformy může téměř úplně vrátit do původního stavu a jev zpoždění změny velikosti lze ignorovat. Tato vlastnost udržování extrémně nízkých rozměrových změn i při výrazných teplotních výkyvech plně potvrzuje vynikající tepelnou stabilitu žulové platformy.
Analýza rovnoměrnosti teploty na povrchu plošiny
Data shromážděná teplotním senzorem ukazují, že během provozu zařízení a procesu změny teploty je rozložení teploty na povrchu žulové plošiny extrémně rovnoměrné. I během fáze, kdy se teplota mění nejintenzivněji, je teplotní rozdíl mezi jednotlivými měřicími body na povrchu plošiny vždy kontrolován v rozmezí ±0,1 ℃. Rovnoměrné rozložení teploty účinně zabraňuje deformaci plošiny způsobené nerovnoměrným tepelným namáháním, zajišťuje rovinnost a stabilitu referenčního měřicího povrchu a poskytuje spolehlivé měřicí prostředí pro polovodičová metrologická zařízení.
Ve srovnání s tradičními materiálovými platformami
Naměřená data z žulové plošiny byla porovnána s daty z polovodičového měřicího zařízení stejného typu s použitím plošiny z hliníkové slitiny a rozdíly byly značné. Za stejných teplotních podmínek je lineární roztažnost plošiny z hliníkové slitiny až 2,5 nanometru, což je více než osmkrát více než u žulové plošiny. Rozložení teploty na povrchu plošiny z hliníkové slitiny je zároveň nerovnoměrné a maximální teplotní rozdíl dosahuje 0,8 °C, což vede k zjevné deformaci plošiny a vážně ovlivňuje přesnost měření.
V přesném světě polovodičových metrologických zařízení se žulové platformy díky své vynikající tepelné stabilitě staly základem pro zajištění přesnosti měření. Naměřená data silně dokazují vynikající výkon žulové platformy v reakci na změny teploty a poskytují spolehlivou technickou podporu pro průmysl výroby polovodičů. S postupujícími procesy výroby polovodičů směrem k vyšší přesnosti bude tepelná stabilita žulových platforem stále významnější a bude neustále pohánět technologické inovace a rozvoj v tomto odvětví.
Čas zveřejnění: 13. května 2025