Puolijohdevalmistuksen alalla, jossa pyritään äärimmäiseen tarkkuuteen, lämpölaajenemiskerroin on yksi keskeisistä parametreista, jotka vaikuttavat tuotteen laatuun ja tuotannon vakauteen. Koko prosessin ajan fotolitografiasta etsaukseen ja pakkaamiseen materiaalien lämpölaajenemiskertoimien erot voivat häiritä valmistustarkkuutta monin tavoin. Graniittipohja, jolla on erittäin alhainen lämpölaajenemiskerroin, on kuitenkin tullut avainasemassa tämän ongelman ratkaisemisessa.
Litografiaprosessi: Lämpömuodonmuutos aiheuttaa kuvion poikkeaman
Fotolitografia on puolijohdevalmistuksen ydinvaihe. Fotolitografiakoneen avulla maskin piirikuviot siirretään fotoresistillä päällystetyn kiekon pinnalle. Tämän prosessin aikana fotolitografiakoneen sisäinen lämmönhallinta ja työpöydän vakaus ovat erittäin tärkeitä. Otetaan esimerkiksi perinteiset metallimateriaalit. Niiden lämpölaajenemiskerroin on noin 12 × 10⁻⁶/℃. Fotolitografiakoneen käytön aikana laservalonlähteen, optisten linssien ja mekaanisten komponenttien tuottama lämpö nostaa laitteen lämpötilaa 5–10 ℃. Jos litografiakoneen työpöydässä on metallijalusta, metrin pituinen jalusta voi aiheuttaa 60–120 μm:n laajenemismuodonmuutoksen, mikä johtaa maskin ja kiekon välisen suhteellisen sijainnin muutokseen.
Edistyneissä valmistusprosesseissa (kuten 3 nm ja 2 nm) transistorien välinen etäisyys on vain muutama nanometri. Tällainen pieni lämpömuodonmuutos riittää aiheuttamaan fotolitografiakuvion virheellisen kohdistuksen, mikä johtaa epänormaaleihin transistoriliitäntöihin, oikosulkuun tai avoimiin piireihin ja muihin ongelmiin, jotka puolestaan johtavat sirun toiminnan epäonnistumiseen. Graniittipohjan lämpölaajenemiskerroin on vain 0,01 μm/°C (eli (1-2) × 10⁻⁶/℃), ja muodonmuutos samassa lämpötilan muutoksessa on vain 1/10-1/5 metallin muodonmuutoksesta. Se voi tarjota vakaan kantavan alustan fotolitografiakoneelle, mikä varmistaa fotolitografiakuvion tarkan siirron ja parantaa merkittävästi sirunvalmistuksen saantoa.
Syövytys ja laskeuma: Vaikuttavat rakenteen mittatarkkuuteen
Etsaus ja pinnoitus ovat keskeisiä prosesseja kolmiulotteisten piirirakenteiden rakentamisessa kiekon pinnalle. Etsausprosessin aikana reaktiivinen kaasu käy kemiallisessa reaktiossa kiekon pintamateriaalin kanssa. Samaan aikaan laitteen sisällä olevat komponentit, kuten RF-virtalähde ja kaasun virtauksen säätö, tuottavat lämpöä, mikä nostaa kiekon ja laitekomponenttien lämpötilaa. Jos kiekon alustan tai laitealustan lämpölaajenemiskerroin ei vastaa kiekon lämpölaajenemiskerrointa (piimateriaalin lämpölaajenemiskerroin on noin 2,6 × 10⁻⁶/℃), lämpötilan muuttuessa syntyy lämpöjännitystä, joka voi aiheuttaa pieniä halkeamia tai vääntymistä kiekon pintaan.
Tällainen muodonmuutos vaikuttaa etsaussyvyyteen ja sivuseinän pystysuuntaisuuteen, mikä aiheuttaa sen, että syövytettyjen urien, läpivientireikien ja muiden rakenteiden mitat poikkeavat suunnitteluvaatimuksista. Samoin ohutkalvopinnoitusprosessissa lämpölaajenemisen ero voi aiheuttaa sisäistä jännitystä kerrostettuun ohutkalvoon, mikä johtaa ongelmiin, kuten kalvon halkeiluun ja kuoriutumiseen, mikä vaikuttaa sirun sähköiseen suorituskykyyn ja pitkäaikaiseen luotettavuuteen. Graniittipohjien käyttö, joiden lämpölaajenemiskerroin on samanlainen kuin piimateriaalien, voi tehokkaasti vähentää lämpöjännitystä ja varmistaa etsaus- ja pinnoitusprosessien vakauden ja tarkkuuden.
Pakkausvaihe: Lämpötilan epäsuhta aiheuttaa luotettavuusongelmia
Puolijohdepakkausvaiheessa sirun ja pakkausmateriaalin (kuten epoksihartsin, keramiikan jne.) lämpölaajenemiskertoimien yhteensopivuus on erittäin tärkeää. Piin, sirujen ydinmateriaalin, lämpölaajenemiskerroin on suhteellisen alhainen, kun taas useimpien pakkausmateriaalien se on suhteellisen korkea. Kun sirun lämpötila muuttuu käytön aikana, sirun ja pakkausmateriaalin välille syntyy lämpöjännitystä lämpölaajenemiskertoimien epäsuhtaisuuden vuoksi.
Tämä lämpöjännitys toistuvien lämpötilasyklien (kuten sirun toiminnan aikana tapahtuvan lämmityksen ja jäähdytyksen) vaikutuksesta voi johtaa sirun ja pakkausalustan välisten juotosliitosten väsymismurtumaan tai aiheuttaa sirun pinnalla olevien liitoslankojen irtoamisen, mikä lopulta johtaa sirun sähköisen kytkennän pettämiseen. Valitsemalla pakkausalustamateriaaleja, joiden lämpölaajenemiskerroin on lähellä piimateriaalien lämpölaajenemiskerrointa, ja käyttämällä graniittisia testialustoja, joilla on erinomainen lämpöstabiilisuus tarkkuuden havaitsemiseksi pakkausprosessin aikana, lämpösuhtaongelmien ongelmaa voidaan tehokkaasti vähentää, pakkauksen luotettavuutta voidaan parantaa ja sirun käyttöikää pidentää.
Tuotantoympäristön hallinta: Laitteiden ja tehdasrakennusten koordinoitu vakaus
Valmistusprosessin suoran vaikutuksen lisäksi lämpölaajenemiskerroin liittyy myös puolijohdetehtaiden yleiseen ympäristönhallintaan. Suurissa puolijohdetuotantolaitoksissa tekijät, kuten ilmastointijärjestelmien käynnistyminen ja pysäyttäminen sekä laiteryhmien lämmönhukka, voivat aiheuttaa ympäristön lämpötilan vaihteluita. Jos tehtaan lattian, laitealustojen ja muun infrastruktuurin lämpölaajenemiskerroin on liian korkea, pitkäaikaiset lämpötilan muutokset aiheuttavat lattian halkeilua ja laitteiden perustusten siirtymistä, mikä vaikuttaa tarkkuuslaitteiden, kuten fotolitografiakoneiden ja etsauskoneiden, tarkkuuteen.
Käyttämällä graniittialustoja laitteiden tukena ja yhdistämällä niitä tehtaan rakennusmateriaaleihin, joilla on alhainen lämpölaajenemiskerroin, voidaan luoda vakaa tuotantoympäristö, mikä vähentää ympäristön lämpömuodonmuutoksesta johtuvia laitteiden kalibrointi- ja huoltokustannuksia ja varmistaa puolijohdetuotantolinjan pitkän aikavälin vakaan toiminnan.
Lämpölaajenemiskerroin kulkee läpi puolijohdevalmistuksen koko elinkaaren materiaalivalinnasta prosessinohjaukseen, pakkaamiseen ja testaukseen. Lämpölaajenemisen vaikutus on otettava tarkasti huomioon jokaisessa lenkissä. Graniittipohjat, joilla on erittäin alhainen lämpölaajenemiskerroin ja muut erinomaiset ominaisuudet, tarjoavat vakaan fyysisen perustan puolijohdevalmistukselle ja niistä tulee tärkeä tae sirujen valmistusprosessien kehittämiselle kohti suurempaa tarkkuutta.
Julkaisun aika: 20.5.2025