У галузі виробництва напівпровідників точність є рятівним колом якості та продуктивності продукції. Напівпровідникове вимірювальне обладнання, як ключова ланка для забезпечення точності виробництва, висуває майже суворі вимоги до стабільності своїх основних компонентів. Серед них гранітна платформа, завдяки своїй видатній термостійкості, відіграє незамінну роль у напівпровідниковому вимірювальному обладнанні. У цій статті буде проведено поглиблений аналіз термостійкості гранітних платформ у напівпровідниковому вимірювальному обладнанні на основі фактичних даних випробувань.
Суворі вимоги до термостабільності вимірювального обладнання у виробництві напівпровідників
Процес виробництва напівпровідників надзвичайно складний і точний, а ширина ліній схеми на кристалі досягла нанометрового рівня. У такому високоточному виробничому процесі навіть найменша зміна температури може спричинити теплове розширення та стиснення компонентів обладнання, що призведе до похибок вимірювання. Наприклад, у процесі фотолітографії, якщо точність вимірювання вимірювального обладнання відхиляється на 1 нанометр, це може спричинити серйозні проблеми, такі як коротке замикання або розриви в схемах на кристалі, що призводить до його виходу з ладу. Згідно зі статистикою галузевих даних, на кожне коливання температури на 1℃ традиційна платформа вимірювального обладнання для металевих матеріалів може зазнавати змін розмірів на кілька нанометрів. Однак виробництво напівпровідників вимагає контролю точності вимірювання в межах ±0,1 нанометра, що робить термостабільність ключовим фактором у визначенні того, чи може вимірювальне обладнання відповідати вимогам виробництва напівпровідників.
Теоретичні переваги термічної стійкості гранітних платформ
Граніт, як вид природного каменю, має компактну внутрішню мінеральну кристалізацію, щільну та однорідну структуру, а також природну перевагу термостабільності. Що стосується коефіцієнта теплового розширення, то коефіцієнт теплового розширення граніту надзвичайно низький і зазвичай коливається від 4,5 до 6,5×10⁻⁶/K. Натомість коефіцієнт теплового розширення звичайних металевих матеріалів, таких як алюмінієві сплави, досягає 23,8×10⁻⁶/K, що в кілька разів перевищує показник граніту. Це означає, що за однакових умов зміни температури зміна розмірів гранітної платформи набагато менша, ніж у металевої платформи, що може забезпечити стабільніший орієнтир для вимірювального обладнання напівпровідників.
Крім того, кристалічна структура граніту забезпечує йому чудову рівномірність теплопровідності. Коли робота обладнання генерує тепло або температура навколишнього середовища змінюється, гранітна платформа може швидко та рівномірно відводити тепло, уникаючи локального перегріву або переохолодження, тим самим ефективно підтримуючи загальну стабільність температури платформи та додатково забезпечуючи стабільність точності вимірювання.
Процес та метод вимірювання термічної стабільності
Для точної оцінки термостабільності гранітної платформи в напівпровідниковому вимірювальному обладнанні ми розробили ретельну схему вимірювання. Вибрали високоточний вимірювальний прилад для напівпровідникових пластин, оснащений надточно обробленою гранітною платформою. В експериментальному середовищі було змодельовано типовий діапазон коливань температури в цеху виробництва напівпровідників, тобто поступове нагрівання від 20℃ до 35℃, а потім охолодження до 20℃. Весь процес тривав 8 годин.
На гранітній платформі вимірювального приладу розміщені високоточні стандартні кремнієві пластини, а датчики переміщення з нанорозмірною точністю використовуються для моніторингу змін відносного положення між кремнієвими пластинами та платформою в режимі реального часу. Тим часом, кілька високоточних датчиків температури розташовані в різних місцях на платформі для моніторингу розподілу температури на поверхні платформи. Під час експерименту дані про переміщення та температуру записувалися кожні 15 хвилин, щоб забезпечити повноту та точність даних.
Виміряні дані та аналіз результатів
Зв'язок між змінами температури та змінами розміру платформи
Експериментальні дані показують, що при підвищенні температури від 20℃ до 35℃ зміна лінійного розміру гранітної платформи надзвичайно мала. Після розрахунків, протягом усього процесу нагрівання, максимальне лінійне розширення платформи становить лише 0,3 нанометра, що значно нижче за діапазон похибки для точності вимірювання в процесах виробництва напівпровідників. Під час стадії охолодження розмір платформи може майже повністю повернутися до початкового стану, і явищем затримки зміни розміру можна знехтувати. Ця характеристика підтримки надзвичайно низьких змін розмірів навіть за значних коливань температури повністю підтверджує видатну термостабільність гранітної платформи.
Аналіз рівномірності температури на поверхні платформи
Дані, зібрані датчиком температури, показують, що під час роботи обладнання та процесу зміни температури розподіл температури на поверхні гранітної платформи є надзвичайно рівномірним. Навіть під час етапу, коли температура змінюється найбільш інтенсивно, різниця температур між кожною точкою вимірювання на поверхні платформи завжди контролюється в межах ±0,1℃. Рівномірний розподіл температури ефективно запобігає деформації платформи, спричиненій нерівномірним термічним напруженням, забезпечуючи площинність та стабільність вимірювальної опорної поверхні та створюючи надійне вимірювальне середовище для напівпровідникового метрологічного обладнання.
Порівняно з традиційними матеріальними платформами
Виміряні дані гранітної платформи порівнювали з даними напівпровідникового вимірювального обладнання того ж типу, що використовує платформу з алюмінієвого сплаву, і відмінності були суттєвими. За однакових умов зміни температури лінійне розширення платформи з алюмінієвого сплаву сягало 2,5 нанометра, що більш ніж у вісім разів перевищує розширення гранітної платформи. Тим часом розподіл температури на поверхні платформи з алюмінієвого сплаву нерівномірний, максимальна різниця температур досягає 0,8 ℃, що призводить до очевидної деформації платформи та серйозно впливає на точність вимірювання.
У світі точного напівпровідникового метрологічного обладнання гранітні платформи, завдяки своїй видатній термостабільності, стали основою для забезпечення точності вимірювань. Виміряні дані переконливо доводять видатну продуктивність гранітної платформи у реагуванні на зміни температури, забезпечуючи надійну технічну підтримку для промисловості виробництва напівпровідників. У міру розвитку процесів виробництва напівпровідників у напрямку підвищення точності, перевага гранітних платформ у термостабільності ставатиме дедалі помітнішою, постійно стимулюючи технологічні інновації та розвиток у галузі.
Час публікації: 13 травня 2025 р.