У галузі виробництва напівпровідників, яка прагне до максимальної точності, коефіцієнт теплового розширення є одним з основних параметрів, що впливають на якість продукції та стабільність виробництва. Протягом усього процесу, від фотолітографії та травлення до упаковки, різниця в коефіцієнтах теплового розширення матеріалів може впливати на точність виробництва різними способами. Однак гранітна основа з її наднизьким коефіцієнтом теплового розширення стала ключем до вирішення цієї проблеми.
Процес літографії: Термічна деформація викликає відхилення візерунка
Фотолітографія є ключовим етапом у виробництві напівпровідників. За допомогою фотолітографічної машини схеми з маски переносяться на поверхню пластини, покритої фоторезистом. Під час цього процесу життєво важливими є терморегуляція всередині фотолітографічної машини та стабільність робочого столу. Візьмемо, наприклад, традиційні металеві матеріали. Їх коефіцієнт теплового розширення становить приблизно 12×10⁻⁶/℃. Під час роботи фотолітографічної машини тепло, що генерується джерелом лазерного світла, оптичними лінзами та механічними компонентами, призведе до підвищення температури обладнання на 5-10 ℃. Якщо робочий стіл літографічної машини має металеву основу, основа довжиною 1 метр може спричинити деформацію розширення на 60-120 мкм, що призведе до зміщення відносного положення між маскою та пластиною.
У передових виробничих процесах (таких як 3 нм та 2 нм) відстань між транзисторами становить лише кілька нанометрів. Такої крихітної теплової деформації достатньо, щоб призвести до зміщення фотолітографічного малюнка, що призведе до аномальних з'єднань транзисторів, коротких замикань або розривів ланцюгів, а також інших проблем, що безпосередньо призведуть до збою функціонування мікросхеми. Коефіцієнт теплового розширення гранітної основи становить лише 0,01 мкм/°C (тобто (1-2) × 10⁻⁶/℃), а деформація при тій самій зміні температури становить лише 1/10-1/5 від деформації металу. Це може забезпечити стабільну несучу платформу для фотолітографічної машини, забезпечуючи точне перенесення фотолітографічного малюнка та значно підвищуючи продуктивність виробництва мікросхем.
Травлення та осадження: впливають на точність розмірів структури
Травлення та осадження є ключовими процесами для побудови тривимірних схемних структур на поверхні пластини. Під час процесу травлення реактивний газ вступає в хімічну реакцію з поверхневим матеріалом пластини. Тим часом, такі компоненти, як джерело радіочастотного живлення та керування потоком газу всередині обладнання, генерують тепло, що призводить до підвищення температури пластини та компонентів обладнання. Якщо коефіцієнт теплового розширення носія пластини або основи обладнання не відповідає коефіцієнту теплового розширення пластини (коефіцієнт теплового розширення кремнієвого матеріалу становить приблизно 2,6×10⁻⁶/℃), при зміні температури виникатиме теплове напруження, яке може спричинити появу дрібних тріщин або деформацію на поверхні пластини.
Така деформація вплине на глибину травлення та вертикальність бічної стінки, що призведе до відхилення розмірів протравлених канавок, наскрізних отворів та інших структур від проектних вимог. Аналогічно, в процесі осадження тонких плівок різниця в тепловому розширенні може викликати внутрішнє напруження в осадженій тонкій плівці, що призведе до таких проблем, як розтріскування та відшарування плівки, що впливає на електричні характеристики та довгострокову надійність чіпа. Використання гранітних основ з коефіцієнтом теплового розширення, подібним до коефіцієнта кремнієвих матеріалів, може ефективно зменшити теплове напруження та забезпечити стабільність і точність процесів травлення та осадження.
Етап упаковки: Теплова невідповідність спричиняє проблеми з надійністю
На етапі пакування напівпровідників сумісність коефіцієнтів теплового розширення між чіпом та пакувальним матеріалом (таким як епоксидна смола, кераміка тощо) має життєво важливе значення. Коефіцієнт теплового розширення кремнію, основного матеріалу чіпів, є відносно низьким, тоді як у більшості пакувальних матеріалів він відносно високий. Коли температура чіпа змінюється під час використання, між чіпом та пакувальним матеріалом виникає теплове напруження через невідповідність коефіцієнтів теплового розширення.
Це термічне напруження, під впливом повторюваних температурних циклів (таких як нагрівання та охолодження під час роботи мікросхеми), може призвести до втомного розтріскування паяних з'єднань між мікросхемою та підкладкою упаковки або спричинити відпадання з'єднувальних проводів на поверхні мікросхеми, що зрештою призведе до порушення електричного з'єднання мікросхеми. Вибираючи матеріали підкладки упаковки з коефіцієнтом теплового розширення, близьким до коефіцієнта теплового розширення кремнієвих матеріалів, та використовуючи гранітні випробувальні платформи з відмінною тепловою стабільністю для точного виявлення під час процесу упаковки, можна ефективно зменшити проблему теплової невідповідності, підвищити надійність упаковки та подовжити термін служби мікросхеми.
Контроль виробничого середовища: узгоджена стабільність обладнання та заводських будівель
Окрім безпосереднього впливу на виробничий процес, коефіцієнт теплового розширення також пов'язаний із загальним контролем навколишнього середовища на заводах з виробництва напівпровідників. У великих цехах з виробництва напівпровідників такі фактори, як запуск і зупинка систем кондиціонування повітря та тепловіддача кластерів обладнання, можуть спричиняти коливання температури навколишнього середовища. Якщо коефіцієнт теплового розширення виробничого цеху, підстав обладнання та іншої інфраструктури занадто високий, тривалі зміни температури призведуть до розтріскування підлоги та зміщення основи обладнання, що вплине на точність високоточних пристроїв, таких як фотолітографічні машини та машини для травлення.
Використовуючи гранітні основи як опори для обладнання та поєднуючи їх із будівельними матеріалами для заводів з низькими коефіцієнтами теплового розширення, можна створити стабільне виробниче середовище, зменшивши частоту калібрування обладнання та витрати на обслуговування, спричинені тепловою деформацією навколишнього середовища, та забезпечивши довгострокову стабільну роботу лінії з виробництва напівпровідників.
Коефіцієнт теплового розширення проходить через увесь життєвий цикл виробництва напівпровідників, від вибору матеріалу, контролю процесу до упаковки та тестування. Вплив теплового розширення необхідно суворо враховувати на кожній ланці. Гранітні основи, з їхнім наднизьким коефіцієнтом теплового розширення та іншими чудовими властивостями, забезпечують стабільну фізичну основу для виробництва напівпровідників і стають важливою гарантією сприяння розвитку процесів виробництва мікросхем у напрямку підвищення точності.
Час публікації: 20 травня 2025 р.