V oblasti výroby polovodičov, ktorá sa zameriava na maximálnu presnosť, je koeficient tepelnej rozťažnosti jedným z kľúčových parametrov, ktoré ovplyvňujú kvalitu produktu a stabilitu výroby. Počas celého procesu od fotolitografie, leptania až po balenie, môžu rozdiely v koeficientoch tepelnej rozťažnosti materiálov rôznymi spôsobmi ovplyvňovať presnosť výroby. Žulový základ s ultranízkym koeficientom tepelnej rozťažnosti sa však stal kľúčom k riešeniu tohto problému.
Litografický proces: Tepelná deformácia spôsobuje odchýlku vzoru
Fotolitografia je kľúčovým krokom vo výrobe polovodičov. Prostredníctvom fotolitografického stroja sa obvodové vzory na maske prenášajú na povrch doštičky potiahnutej fotorezistom. Počas tohto procesu je tepelné riadenie vo vnútri fotolitografického stroja a stabilita pracovného stola mimoriadne dôležité. Vezmime si ako príklad tradičné kovové materiály. Ich koeficient tepelnej rozťažnosti je približne 12×10⁻⁶/℃. Počas prevádzky fotolitografického stroja teplo generované laserovým zdrojom svetla, optickými šošovkami a mechanickými komponentmi spôsobí zvýšenie teploty zariadenia o 5 – 10 ℃. Ak pracovný stôl litografického stroja používa kovovú základňu, základňa dlhá 1 meter môže spôsobiť deformáciu rozťažnosťou o 60 – 120 μm, čo povedie k posunu relatívnej polohy medzi maskou a doštičkou.
V pokročilých výrobných procesoch (ako sú 3nm a 2nm) je rozstup tranzistorov len niekoľko nanometrov. Takáto malá tepelná deformácia stačí na to, aby spôsobila nesprávne zarovnanie fotolitografického vzoru, čo vedie k abnormálnym spojom tranzistorov, skratom alebo prerušeným obvodom a iným problémom, ktoré priamo vedú k zlyhaniu funkcií čipu. Koeficient tepelnej rozťažnosti žulovej základne je len 0,01 μm/°C (t. j. (1-2) × 10⁻⁶/℃) a deformácia pri rovnakej zmene teploty je iba 1/10-1/5 deformácie kovu. Môže poskytnúť stabilnú nosnú platformu pre fotolitografický stroj, čím zabezpečí presný prenos fotolitografického vzoru a výrazne zlepší výťažnosť výroby čipov.
Leptanie a nanášanie: Ovplyvňujú rozmerovú presnosť štruktúry
Leptanie a nanášanie sú kľúčové procesy pre vytváranie trojrozmerných obvodových štruktúr na povrchu doštičky. Počas procesu leptania reaktívny plyn prechádza chemickou reakciou s povrchovým materiálom doštičky. Súčasne komponenty, ako je zdroj vysokofrekvenčného napájania a riadenie prietoku plynu vo vnútri zariadenia, generujú teplo, čo spôsobuje zvýšenie teploty doštičky a komponentov zariadenia. Ak sa koeficient tepelnej rozťažnosti nosiča doštičky alebo základne zariadenia nezhoduje s koeficientom tepelnej rozťažnosti doštičky (koeficient tepelnej rozťažnosti kremíkového materiálu je približne 2,6 × 10⁻⁶/℃), pri zmene teploty sa vytvorí tepelné napätie, ktoré môže spôsobiť drobné praskliny alebo deformácie na povrchu doštičky.
Tento druh deformácie ovplyvní hĺbku leptania a vertikálu bočnej steny, čo spôsobí, že rozmery leptaných drážok, priechodných otvorov a iných štruktúr sa budú odchyľovať od konštrukčných požiadaviek. Podobne aj pri procese nanášania tenkých vrstiev môže rozdiel v tepelnej rozťažnosti spôsobiť vnútorné napätie v nanášanej tenkej vrstve, čo vedie k problémom, ako je praskanie a odlupovanie vrstvy, čo ovplyvňuje elektrický výkon a dlhodobú spoľahlivosť čipu. Použitie žulových podstavcov s koeficientom tepelnej rozťažnosti podobným kremíkovým materiálom môže účinne znížiť tepelné namáhanie a zabezpečiť stabilitu a presnosť procesov leptania a nanášania.
Fáza balenia: Tepelný nesúlad spôsobuje problémy so spoľahlivosťou
Vo fáze balenia polovodičov je mimoriadne dôležitá kompatibilita koeficientov tepelnej rozťažnosti medzi čipom a obalovým materiálom (ako je epoxidová živica, keramika atď.). Koeficient tepelnej rozťažnosti kremíka, jadra čipov, je relatívne nízky, zatiaľ čo u väčšiny obalových materiálov je relatívne vysoký. Keď sa teplota čipu počas používania zmení, dochádza k tepelnému napätiu medzi čipom a obalovým materiálom v dôsledku nesúladu koeficientov tepelnej rozťažnosti.
Toto tepelné namáhanie, v dôsledku opakovaných teplotných cyklov (ako je napríklad ohrev a chladenie počas prevádzky čipu), môže viesť k únavovému praskaniu spájkovaných spojov medzi čipom a substrátom balenia alebo spôsobiť odpadnutie spojovacích drôtov na povrchu čipu, čo v konečnom dôsledku vedie k zlyhaniu elektrického spojenia čipu. Výberom materiálov substrátu balenia s koeficientom tepelnej rozťažnosti blízkym kremíkovým materiálom a použitím žulových testovacích platforiem s vynikajúcou tepelnou stabilitou na presnú detekciu počas procesu balenia je možné účinne znížiť problém tepelného nesúladu, zlepšiť spoľahlivosť balenia a predĺžiť životnosť čipu.
Riadenie výrobného prostredia: Koordinovaná stabilita zariadení a výrobných budov
Okrem priameho vplyvu na výrobný proces súvisí koeficient tepelnej rozťažnosti aj s celkovou kontrolou prostredia v továrňach na výrobu polovodičov. Vo veľkých dielňach na výrobu polovodičov môžu faktory, ako je spustenie a zastavenie klimatizačných systémov a odvod tepla zoskupení zariadení, spôsobiť kolísanie teploty prostredia. Ak je koeficient tepelnej rozťažnosti podlahy továrne, základov zariadení a inej infraštruktúry príliš vysoký, dlhodobé zmeny teploty spôsobia praskanie podlahy a posun základov zariadení, čo ovplyvní presnosť presných zariadení, ako sú fotolitografické stroje a leptacie stroje.
Použitím žulových podstavcov ako podpery zariadení a ich kombináciou s materiálmi pre stavbu tovární s nízkymi koeficientmi tepelnej rozťažnosti je možné vytvoriť stabilné výrobné prostredie, čím sa zníži frekvencia kalibrácie zariadení a náklady na údržbu spôsobené tepelnou deformáciou prostredia a zabezpečí sa dlhodobá stabilná prevádzka linky na výrobu polovodičov.
Koeficient tepelnej rozťažnosti prechádza celým životným cyklom výroby polovodičov, od výberu materiálu, cez riadenie procesu až po balenie a testovanie. Vplyv tepelnej rozťažnosti je potrebné prísne zvážiť v každom článku. Žulové základy s ultranízkym koeficientom tepelnej rozťažnosti a ďalšími vynikajúcimi vlastnosťami poskytujú stabilný fyzikálny základ pre výrobu polovodičov a stávajú sa dôležitou zárukou podpory rozvoja procesov výroby čipov smerom k vyššej presnosti.
Čas uverejnenia: 20. mája 2025