V oblasti výroby polovodičů, která usiluje o maximální přesnost, je koeficient tepelné roztažnosti jedním z klíčových parametrů, které ovlivňují kvalitu produktu a stabilitu výroby. V průběhu celého procesu, od fotolitografie, leptání až po balení, mohou rozdíly v koeficientech tepelné roztažnosti materiálů různými způsoby ovlivňovat přesnost výroby. Žulový základ se však díky svému ultranízkému koeficientu tepelné roztažnosti stal klíčem k řešení tohoto problému.
Litografický proces: Tepelná deformace způsobuje odchylku vzoru
Fotolitografie je klíčovým krokem ve výrobě polovodičů. Prostřednictvím fotolitografického stroje se obvodové vzory na masce přenášejí na povrch destičky potažené fotorezistem. Během tohoto procesu je zásadní tepelná regulace uvnitř fotolitografického stroje a stabilita pracovního stolu. Vezměte si jako příklad tradiční kovové materiály. Jejich koeficient tepelné roztažnosti je přibližně 12×10⁻⁶/℃. Během provozu fotolitografického stroje způsobí teplo generované zdrojem laserového světla, optickými čočkami a mechanickými součástmi zvýšení teploty zařízení o 5–10 ℃. Pokud pracovní stůl litografického stroje používá kovovou základnu, může základna dlouhá 1 metr způsobit roztažnou deformaci o 60–120 μm, což povede k posunu relativní polohy mezi maskou a destičkou.
V pokročilých výrobních procesech (jako jsou 3nm a 2nm) je rozteč tranzistorů pouze několik nanometrů. Taková malá tepelná deformace stačí k tomu, aby způsobila špatné zarovnání fotolitografického vzoru, což vede k abnormálnímu zapojení tranzistorů, zkratům nebo přerušením obvodů a dalším problémům, které přímo vedou k selhání funkcí čipu. Koeficient tepelné roztažnosti žulové základny je pouhých 0,01 μm/°C (tj. (1-2) × 10⁻⁶/℃) a deformace při stejné změně teploty je pouze 1/10-1/5 deformace kovu. Může poskytnout stabilní nosnou platformu pro fotolitografický stroj, což zajišťuje přesný přenos fotolitografického vzoru a výrazně zlepšuje výtěžnost výroby čipů.
Leptání a nanášení: Ovlivňují rozměrovou přesnost struktury
Leptání a depozice jsou klíčovými procesy pro konstrukci trojrozměrných obvodových struktur na povrchu destičky. Během procesu leptání reaktivní plyn prochází chemickou reakcí s povrchovým materiálem destičky. Součásti, jako je vysokofrekvenční napájecí zdroj a řízení průtoku plynu uvnitř zařízení, mezitím generují teplo, což způsobuje zvýšení teploty destičky a součástí zařízení. Pokud se koeficient tepelné roztažnosti nosiče destičky nebo základny zařízení neshoduje s koeficientem tepelné roztažnosti destičky (koeficient tepelné roztažnosti křemíkového materiálu je přibližně 2,6×10⁻⁶/℃), při změně teploty dojde ke vzniku tepelného pnutí, které může způsobit drobné praskliny nebo deformace na povrchu destičky.
Tento druh deformace ovlivní hloubku leptání a svislost boční stěny, což způsobí, že se rozměry leptaných drážek, průchozích otvorů a dalších struktur odchylují od konstrukčních požadavků. Podobně v procesu nanášení tenkých vrstev může rozdíl v tepelné roztažnosti způsobit vnitřní napětí v nanášené tenké vrstvě, což vede k problémům, jako je praskání a odlupování vrstvy, což ovlivňuje elektrický výkon a dlouhodobou spolehlivost čipu. Použití žulových základů s koeficientem tepelné roztažnosti podobným koeficientu tepelné roztažnosti křemíkových materiálů může účinně snížit tepelné namáhání a zajistit stabilitu a přesnost procesů leptání a nanášení.
Fáze balení: Tepelný nesoulad způsobuje problémy se spolehlivostí
Ve fázi balení polovodičů je zásadní kompatibilita koeficientů tepelné roztažnosti mezi čipem a obalovým materiálem (jako je epoxidová pryskyřice, keramika atd.). Koeficient tepelné roztažnosti křemíku, jádra čipů, je relativně nízký, zatímco u většiny obalových materiálů je relativně vysoký. Když se během používání změní teplota čipu, dochází k tepelnému napětí mezi čipem a obalovým materiálem v důsledku nesouladu koeficientů tepelné roztažnosti.
Toto tepelné namáhání, v důsledku opakovaných teplotních cyklů (jako je ohřev a ochlazování během provozu čipu), může vést k únavovému praskání pájených spojů mezi čipem a substrátem pouzdra nebo způsobit odpadávání spojovacího vodiče na povrchu čipu, což nakonec vede k selhání elektrického spojení čipu. Volbou materiálů substrátu pouzdra s koeficientem tepelné roztažnosti blízkým křemíkovým materiálům a použitím žulových testovacích plošin s vynikající tepelnou stabilitou pro přesnou detekci během procesu balení lze účinně snížit problém tepelného nesouladu, zlepšit spolehlivost balení a prodloužit životnost čipu.
Řízení výrobního prostředí: Koordinovaná stabilita zařízení a výrobních budov
Kromě přímého ovlivnění výrobního procesu souvisí koeficient tepelné roztažnosti také s celkovou kontrolou prostředí v polovodičových továrnách. Ve velkých dílnách na výrobu polovodičů mohou faktory, jako je spouštění a zastavování klimatizačních systémů a odvod tepla ze sestav zařízení, způsobit kolísání teploty prostředí. Pokud je koeficient tepelné roztažnosti výrobní haly, základů zařízení a další infrastruktury příliš vysoký, dlouhodobé změny teploty způsobí praskání podlahy a posun základů zařízení, což ovlivní přesnost přesných zařízení, jako jsou fotolitografické stroje a leptací stroje.
Použitím žulových základů jako podpěr zařízení a jejich kombinací s materiály pro stavbu továren s nízkými koeficienty tepelné roztažnosti lze vytvořit stabilní výrobní prostředí, snížit frekvenci kalibrace zařízení a náklady na údržbu způsobené tepelnou deformací prostředí a zajistit dlouhodobý stabilní provoz linky na výrobu polovodičů.
Koeficient tepelné roztažnosti prochází celým životním cyklem výroby polovodičů, od výběru materiálu, řízení procesu až po balení a testování. Vliv tepelné roztažnosti je třeba striktně zohlednit v každém aspektu. Žulové základy s ultranízkým koeficientem tepelné roztažnosti a dalšími vynikajícími vlastnostmi poskytují stabilní fyzikální základ pro výrobu polovodičů a stávají se důležitou zárukou pro podporu rozvoje procesů výroby čipů směrem k vyšší přesnosti.
Čas zveřejnění: 20. května 2025