Na področju proizvodnje polprevodnikov, ki si prizadeva za vrhunsko natančnost, je koeficient toplotnega raztezanja eden ključnih parametrov, ki vplivajo na kakovost izdelka in stabilnost proizvodnje. Skozi celoten proces, od fotolitografije in jedkanja do pakiranja, lahko razlike v koeficientih toplotnega raztezanja materialov na različne načine vplivajo na natančnost izdelave. Vendar pa je granitna osnova s svojim izjemno nizkim koeficientom toplotnega raztezanja postala ključ do rešitve te težave.
Litografski postopek: Toplotna deformacija povzroča odstopanje vzorca
Fotolitografija je ključni korak v proizvodnji polprevodnikov. S fotolitografskim strojem se vzorci vezij na maski prenesejo na površino rezine, prevlečene s fotorezistom. Med tem postopkom sta toplotno upravljanje znotraj fotolitografskega stroja in stabilnost delovne mize ključnega pomena. Vzemimo za primer tradicionalne kovinske materiale. Njihov koeficient toplotnega raztezanja je približno 12×10⁻⁶/℃. Med delovanjem fotolitografskega stroja toplota, ki jo ustvarja laserski svetlobni vir, optične leče in mehanske komponente, povzroči dvig temperature opreme za 5–10 ℃. Če delovna miza litografskega stroja uporablja kovinsko podlago, lahko 1 meter dolga podlaga povzroči raztezno deformacijo za 60–120 μm, kar povzroči premik relativnega položaja med masko in rezino.
V naprednih proizvodnih procesih (kot sta 3nm in 2nm) je razmik med tranzistorji le nekaj nanometrov. Že tako majhna toplotna deformacija je dovolj, da povzroči nepravilno poravnavo vzorca fotolitografije, kar vodi do nenormalnih povezav tranzistorjev, kratkih stikov ali odprtih tokokrogov in drugih težav, ki neposredno povzročijo okvaro delovanja čipa. Koeficient toplotnega raztezanja granitne podlage je nizek, le 0,01 μm/°C (tj. (1-2) × 10⁻⁶/℃), deformacija pri isti temperaturni spremembi pa je le 1/10-1/5 deformacije kovine. Zagotavlja stabilno nosilno platformo za fotolitografski stroj, kar zagotavlja natančen prenos vzorca fotolitografije in znatno izboljša izkoristek proizvodnje čipov.
Jedkanje in nanašanje: Vplivata na dimenzijsko natančnost strukture
Jedkanje in nanašanje sta ključna procesa za izdelavo tridimenzionalnih vezij na površini rezine. Med jedkanjem reaktivni plin kemično reagira s površinskim materialom rezine. Medtem komponente, kot sta RF napajanje in nadzor pretoka plina v notranjosti opreme, proizvajajo toploto, zaradi česar se temperatura rezine in komponent opreme dvigne. Če se koeficient toplotnega raztezanja nosilca rezine ali podnožja opreme ne ujema s koeficientom toplotnega raztezanja rezine (koeficient toplotnega raztezanja silicijevega materiala je približno 2,6 × 10⁻⁶/℃), se ob spremembi temperature ustvari toplotna napetost, ki lahko povzroči drobne razpoke ali upogibanje na površini rezine.
Ta vrsta deformacije bo vplivala na globino jedkanja in navpičnost stranske stene, zaradi česar bodo dimenzije jedkanih utorov, skoznjih lukenj in drugih struktur odstopale od konstrukcijskih zahtev. Podobno lahko pri postopku nanašanja tankih filmov razlika v toplotnem raztezanju povzroči notranje napetosti v nanešenem tankem filmu, kar vodi do težav, kot so razpoke in luščenje filma, kar vpliva na električne lastnosti in dolgoročno zanesljivost čipa. Uporaba granitnih podlag s koeficientom toplotnega raztezanja, podobnim koeficientu silicijevih materialov, lahko učinkovito zmanjša toplotne napetosti in zagotovi stabilnost ter natančnost postopkov jedkanja in nanašanja.
Faza pakiranja: Termična neusklajenost povzroča težave z zanesljivostjo
V fazi pakiranja polprevodnikov je združljivost koeficientov toplotnega raztezanja med čipom in embalažnim materialom (kot so epoksi smola, keramika itd.) ključnega pomena. Koeficient toplotnega raztezanja silicija, jedra čipov, je relativno nizek, medtem ko je pri večini embalažnih materialov relativno visok. Ko se temperatura čipa med uporabo spremeni, se zaradi neusklajenosti koeficientov toplotnega raztezanja med čipom in embalažnim materialom pojavi toplotna napetost.
Ta toplotna obremenitev, pod vplivom ponavljajočih se temperaturnih ciklov (kot sta segrevanje in hlajenje med delovanjem čipa), lahko povzroči utrujenostne razpoke spajkanih spojev med čipom in substratom pakiranja ali pa povzroči odpadanje veznih žic na površini čipa, kar na koncu povzroči odpoved električne povezave čipa. Z izbiro materialov substrata pakiranja s koeficientom toplotnega raztezanja, ki je blizu koeficientu silicijevih materialov, in uporabo granitnih testnih platform z odlično toplotno stabilnostjo za natančno zaznavanje med postopkom pakiranja lahko učinkovito zmanjšamo problem toplotnega neskladja, izboljšamo zanesljivost pakiranja in podaljšamo življenjsko dobo čipa.
Nadzor proizvodnega okolja: Usklajena stabilnost opreme in tovarniških stavb
Poleg neposrednega vpliva na proizvodni proces je koeficient toplotnega raztezanja povezan tudi s splošnim nadzorom okolja v tovarnah polprevodnikov. V velikih delavnicah za proizvodnjo polprevodnikov lahko dejavniki, kot so zagon in zaustavitev klimatskih naprav ter odvajanje toplote skupin opreme, povzročijo nihanja temperature okolja. Če je koeficient toplotnega raztezanja tovarniških tal, podstavkov opreme in druge infrastrukture previsok, bodo dolgotrajne temperaturne spremembe povzročile razpoke tal in premik podstavka opreme, kar bo vplivalo na natančnost precizne opreme, kot so fotolitografski stroji in jedkalni stroji.
Z uporabo granitnih podstavkov kot nosilcev opreme in njihovo kombinacijo s tovarniškimi gradbenimi materiali z nizkimi koeficienti toplotnega raztezanja je mogoče ustvariti stabilno proizvodno okolje, kar zmanjša pogostost kalibracije opreme in stroške vzdrževanja, ki jih povzročajo toplotne deformacije okolja, ter zagotovi dolgoročno stabilno delovanje proizvodne linije polprevodnikov.
Koeficient toplotnega raztezanja poteka skozi celoten življenjski cikel proizvodnje polprevodnikov, od izbire materiala, nadzora procesa do pakiranja in testiranja. Vpliv toplotnega raztezanja je treba strogo upoštevati v vsaki povezavi. Granitne podlage s svojim izjemno nizkim koeficientom toplotnega raztezanja in drugimi odličnimi lastnostmi zagotavljajo stabilno fizično podlago za proizvodnjo polprevodnikov in postajajo pomembno zagotovilo za spodbujanje razvoja procesov izdelave čipov v smeri večje natančnosti.
Čas objave: 20. maj 2025