V oblasti výroby polovodičov je presnosť kľúčom k kvalite a výkonu produktu. Polovodičové meracie zariadenia, ako kľúčový článok na zabezpečenie presnosti výroby, kladú takmer prísne požiadavky na stabilitu svojich základných komponentov. Medzi nimi zohráva žulová platforma so svojou vynikajúcou tepelnou stabilitou nenahraditeľnú úlohu v polovodičových meracích zariadeniach. Tento článok sa bude venovať hĺbkovej analýze tepelnej stability žulových platforiem v polovodičových meracích zariadeniach prostredníctvom skutočných testovacích údajov.
Prísne požiadavky na tepelnú stabilitu meracích zariadení pri výrobe polovodičov
Výrobný proces polovodičov je mimoriadne zložitý a presný a šírka obvodových čiar na čipe dosiahla nanometrovú úroveň. V takomto vysoko presnom výrobnom procese môže aj najmenšia zmena teploty spôsobiť tepelnú rozťažnosť a sťahovanie komponentov zariadenia, čo vedie k chybám merania. Napríklad pri fotolitografickom procese, ak sa presnosť merania meracieho zariadenia odchýli o 1 nanometer, môže to spôsobiť vážne problémy, ako sú skraty alebo prerušené obvody v obvodoch na čipe, čo vedie k jeho poškodeniu. Podľa štatistík z odvetvia môže pri každom kolísaní teploty o 1 °C dôjsť k rozmerovým zmenám tradičného meracieho zariadenia na kovové materiály o niekoľko nanometrov. Výroba polovodičov si však vyžaduje, aby sa presnosť merania kontrolovala v rozmedzí ±0,1 nanometra, čo robí tepelnú stabilitu kľúčovým faktorom pri určovaní, či meracie zariadenie dokáže splniť požiadavky výroby polovodičov.
Teoretické výhody tepelnej stability žulových plošín
Žula, ako druh prírodného kameňa, má kompaktnú vnútornú minerálnu kryštalizáciu, hustú a rovnomernú štruktúru a prirodzenú výhodu tepelnej stability. Pokiaľ ide o koeficient tepelnej rozťažnosti, koeficient tepelnej rozťažnosti žuly je extrémne nízky, zvyčajne sa pohybuje od 4,5 do 6,5 × 10⁻⁶/K. Naproti tomu koeficient tepelnej rozťažnosti bežných kovových materiálov, ako sú hliníkové zliatiny, dosahuje až 23,8 × 10⁻⁶/K, čo je niekoľkonásobok koeficientu tepelnej rozťažnosti žuly. To znamená, že za rovnakých teplotných podmienok je zmena rozmerov žulovej plošiny oveľa menšia ako zmena rozmerov kovovej plošiny, čo môže poskytnúť stabilnejšiu referenčnú hodnotu merania pre polovodičové meracie zariadenia.
Kryštálová štruktúra žuly jej navyše zabezpečuje vynikajúcu rovnomernosť vedenia tepla. Keď zariadenie počas prevádzky generuje teplo alebo sa mení okolitá teplota, žulová platforma ho dokáže rýchlo a rovnomerne odvádzať, čím sa zabráni lokálnemu prehrievaniu alebo podchladeniu, čím sa účinne udržiava celková teplotná konzistencia platformy a ďalej sa zabezpečuje stabilita a presnosť merania.
Proces a metóda merania tepelnej stability
Aby sme presne vyhodnotili tepelnú stabilitu žulovej platformy v polovodičovom meracom zariadení, navrhli sme prísnu meraciu schému. Vybrali sme vysoko presný prístroj na meranie polovodičových doštičiek, ktorý je vybavený superpresne spracovanou žulovou platformou. V experimentálnom prostredí sme simulovali bežný rozsah teplotných zmien v dielni na výrobu polovodičov, teda postupné zahrievanie z 20 ℃ na 35 ℃ a následné ochladzovanie späť na 20 ℃. Celý proces trval 8 hodín.
Na žulovej platforme meracieho prístroja sú umiestnené vysoko presné štandardné kremíkové doštičky a na monitorovanie zmien relatívnej polohy medzi kremíkovými doštičkami a platformou v reálnom čase sa používajú senzory posunu s nanoškálovou presnosťou. Medzitým je na platforme na rôznych miestach umiestnených viacero vysoko presných teplotných senzorov, ktoré monitorujú rozloženie teploty na povrchu platformy. Počas experimentu sa údaje o posune a teplote zaznamenávali každých 15 minút, aby sa zabezpečila úplnosť a presnosť údajov.
Namerané údaje a analýza výsledkov
Vzťah medzi zmenami teploty a zmenami veľkosti plošiny
Experimentálne údaje ukazujú, že pri stúpnutí teploty z 20 ℃ na 35 ℃ je zmena lineárnej veľkosti žulovej platformy extrémne malá. Po výpočte je počas celého procesu ohrevu maximálna lineárna rozťažnosť platformy iba 0,3 nanometra, čo je oveľa menej ako rozsah tolerancie chyby pre presnosť merania v procesoch výroby polovodičov. Počas fázy chladenia sa veľkosť platformy môže takmer úplne vrátiť do pôvodného stavu a jav oneskorenia zmeny veľkosti možno ignorovať. Táto vlastnosť udržiavania extrémne nízkych rozmerových zmien aj pri výrazných teplotných výkyvoch plne potvrdzuje vynikajúcu tepelnú stabilitu žulovej platformy.
Analýza rovnomernosti teploty na povrchu plošiny
Údaje zhromaždené teplotným senzorom ukazujú, že počas prevádzky zariadenia a procesu zmeny teploty je rozloženie teploty na povrchu žulovej plošiny mimoriadne rovnomerné. Aj počas fázy, keď sa teplota mení najintenzívnejšie, je teplotný rozdiel medzi jednotlivými meracími bodmi na povrchu plošiny vždy kontrolovaný v rozmedzí ±0,1 ℃. Rovnomerné rozloženie teploty účinne zabraňuje deformácii plošiny spôsobenej nerovnomerným tepelným namáhaním, čím zabezpečuje rovinnosť a stabilitu referenčného meracieho povrchu a poskytuje spoľahlivé meracie prostredie pre polovodičové metrologické zariadenia.
V porovnaní s tradičnými materiálovými platformami
Namerané údaje z granitovej plošiny boli porovnané s údajmi z polovodičového meracieho zariadenia rovnakého typu s použitím plošiny zo zliatiny hliníka a rozdiely boli významné. Za rovnakých podmienok zmeny teploty je lineárna rozťažnosť plošiny zo zliatiny hliníka až 2,5 nanometra, čo je viac ako osemkrát viac ako u granitovej plošiny. Rozloženie teploty na povrchu plošiny zo zliatiny hliníka je nerovnomerné, pričom maximálny teplotný rozdiel dosahuje 0,8 ℃, čo vedie k zjavnej deformácii plošiny a vážne ovplyvňuje presnosť merania.
V presnom svete polovodičových metrologických zariadení sa žulové platformy vďaka svojej vynikajúcej tepelnej stabilite stali hlavným pilierom pri zabezpečovaní presnosti merania. Namerané údaje silne dokazujú vynikajúci výkon žulovej platformy pri reakcii na zmeny teploty a poskytujú spoľahlivú technickú podporu pre priemysel výroby polovodičov. S postupným rozvíjaním procesov výroby polovodičov smerom k vyššej presnosti bude výhoda tepelnej stability žulových platforiem čoraz výraznejšia a bude neustále poháňať technologické inovácie a rozvoj v tomto odvetví.
Čas uverejnenia: 13. mája 2025