Trong lĩnh vực sản xuất chất bán dẫn, độ chính xác là yếu tố sống còn của chất lượng và hiệu suất sản phẩm. Thiết bị đo bán dẫn, là mắt xích quan trọng để đảm bảo độ chính xác trong sản xuất, áp đặt các yêu cầu gần như nghiêm ngặt đối với tính ổn định của các thành phần cốt lõi. Trong số đó, bệ đá granit, với độ ổn định nhiệt vượt trội, đóng vai trò không thể thiếu trong thiết bị đo bán dẫn. Bài viết này sẽ tiến hành phân tích sâu về hiệu suất ổn định nhiệt của bệ đá granit trong thiết bị đo bán dẫn thông qua dữ liệu thử nghiệm thực tế.
Yêu cầu nghiêm ngặt về độ ổn định nhiệt của thiết bị đo trong sản xuất chất bán dẫn
Quy trình sản xuất chất bán dẫn cực kỳ phức tạp và chính xác, và chiều rộng của các đường mạch trên chip đã đạt đến cấp độ nanomet. Trong quy trình sản xuất có độ chính xác cao như vậy, ngay cả sự thay đổi nhiệt độ nhỏ nhất cũng có thể gây ra sự giãn nở và co lại do nhiệt của các thành phần thiết bị, do đó gây ra lỗi đo lường. Ví dụ, trong quy trình quang khắc, nếu độ chính xác đo lường của thiết bị đo sai lệch 1 nanomet, nó có thể gây ra các vấn đề nghiêm trọng như đoản mạch hoặc mạch hở trong các mạch trên chip, dẫn đến việc loại bỏ chip. Theo thống kê dữ liệu của ngành, cứ mỗi lần nhiệt độ dao động 1℃, nền tảng thiết bị đo vật liệu kim loại truyền thống có thể trải qua những thay đổi về kích thước vài nanomet. Tuy nhiên, sản xuất chất bán dẫn đòi hỏi phải kiểm soát độ chính xác đo lường trong phạm vi ±0,1 nanomet, điều này khiến độ ổn định nhiệt trở thành yếu tố chính để xác định xem thiết bị đo lường có thể đáp ứng được nhu cầu sản xuất chất bán dẫn hay không.
Ưu điểm lý thuyết của tính ổn định nhiệt của nền đá granit
Đá granit là một loại đá tự nhiên, có kết tinh khoáng bên trong chặt chẽ, cấu trúc dày đặc và đồng nhất, sở hữu ưu điểm tự nhiên là ổn định nhiệt. Về hệ số giãn nở nhiệt, hệ số giãn nở nhiệt của đá granit cực kỳ thấp, thường dao động từ 4,5 đến 6,5×10⁻⁶/K. Ngược lại, hệ số giãn nở nhiệt của các vật liệu kim loại thông thường như hợp kim nhôm cao tới 23,8×10⁻⁶/K, gấp nhiều lần so với đá granit. Điều này có nghĩa là trong cùng điều kiện biến thiên nhiệt độ, sự thay đổi kích thước của bệ đá granit nhỏ hơn nhiều so với bệ kim loại, có thể cung cấp tham chiếu đo lường ổn định hơn cho thiết bị đo bán dẫn.
Ngoài ra, cấu trúc tinh thể của đá granit mang lại cho nó tính đồng nhất tuyệt vời về dẫn nhiệt. Khi hoạt động của thiết bị tạo ra nhiệt hoặc nhiệt độ môi trường thay đổi, bệ đá granit có thể dẫn nhiệt nhanh chóng và đều đặn, tránh hiện tượng quá nhiệt cục bộ hoặc quá lạnh, do đó duy trì hiệu quả tính nhất quán nhiệt độ tổng thể của bệ và đảm bảo hơn nữa tính ổn định của độ chính xác đo lường.
Quy trình và phương pháp đo độ ổn định nhiệt
Để đánh giá chính xác độ ổn định nhiệt của bệ granit trong thiết bị đo bán dẫn, chúng tôi đã thiết kế một sơ đồ đo lường nghiêm ngặt. Chọn một dụng cụ đo wafer bán dẫn có độ chính xác cao, được trang bị bệ granit được xử lý siêu chính xác. Trong môi trường thử nghiệm, phạm vi biến thiên nhiệt độ chung trong xưởng sản xuất bán dẫn đã được mô phỏng, tức là làm nóng dần từ 20℃ đến 35℃ rồi làm mát trở lại 20℃. Toàn bộ quá trình kéo dài trong 8 giờ.
Trên bệ đá granit của thiết bị đo, các tấm silicon chuẩn có độ chính xác cao được đặt và các cảm biến dịch chuyển có độ chính xác ở cấp độ nano được sử dụng để theo dõi các thay đổi vị trí tương đối giữa các tấm silicon và bệ theo thời gian thực. Trong khi đó, nhiều cảm biến nhiệt độ có độ chính xác cao được bố trí ở các vị trí khác nhau trên bệ để theo dõi sự phân bố nhiệt độ trên bề mặt bệ. Trong quá trình thử nghiệm, dữ liệu dịch chuyển và dữ liệu nhiệt độ được ghi lại sau mỗi 15 phút để đảm bảo tính đầy đủ và chính xác của dữ liệu.
Dữ liệu đo lường và phân tích kết quả
Mối quan hệ giữa thay đổi nhiệt độ và thay đổi kích thước nền tảng
Dữ liệu thực nghiệm cho thấy khi nhiệt độ tăng từ 20℃ lên 35℃, sự thay đổi về kích thước tuyến tính của bệ đá granit là cực kỳ nhỏ. Sau khi tính toán, trong toàn bộ quá trình gia nhiệt, độ giãn nở tuyến tính tối đa của bệ chỉ là 0,3 nanomet, thấp hơn nhiều so với phạm vi dung sai lỗi đối với độ chính xác đo lường trong các quy trình sản xuất chất bán dẫn. Trong giai đoạn làm mát, kích thước bệ gần như có thể hoàn toàn trở lại trạng thái ban đầu và hiện tượng trễ của sự thay đổi kích thước có thể bị bỏ qua. Đặc điểm này duy trì những thay đổi về kích thước cực kỳ thấp ngay cả trong những biến động nhiệt độ đáng kể đã xác nhận đầy đủ tính ổn định nhiệt vượt trội của bệ đá granit.
Phân tích sự đồng đều nhiệt độ trên bề mặt bệ
Dữ liệu thu thập được từ cảm biến nhiệt độ cho thấy trong quá trình vận hành thiết bị và quá trình thay đổi nhiệt độ, sự phân bố nhiệt độ trên bề mặt bệ đá granit cực kỳ đồng đều. Ngay cả trong giai đoạn nhiệt độ thay đổi mạnh nhất, chênh lệch nhiệt độ giữa mỗi điểm đo trên bề mặt bệ luôn được kiểm soát trong phạm vi ±0,1℃. Sự phân bố nhiệt độ đồng đều giúp tránh hiệu quả biến dạng bệ do ứng suất nhiệt không đều, đảm bảo độ phẳng và ổn định của bề mặt tham chiếu đo lường, đồng thời cung cấp môi trường đo lường đáng tin cậy cho thiết bị đo lường bán dẫn.
So sánh với các nền tảng vật liệu truyền thống
Dữ liệu đo được của bệ đá granit được so sánh với dữ liệu của thiết bị đo bán dẫn cùng loại sử dụng bệ hợp kim nhôm, và sự khác biệt là đáng kể. Trong cùng điều kiện thay đổi nhiệt độ, độ giãn nở tuyến tính của bệ hợp kim nhôm cao tới 2,5 nanomet, cao hơn tám lần so với bệ đá granit. Trong khi đó, sự phân bố nhiệt độ trên bề mặt bệ hợp kim nhôm không đồng đều, với chênh lệch nhiệt độ tối đa đạt 0,8℃, dẫn đến biến dạng rõ rệt của bệ và ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ chính xác của phép đo.
Trong thế giới chính xác của thiết bị đo lường bán dẫn, bệ đá granit, với độ ổn định nhiệt vượt trội, đã trở thành trụ cột trong việc đảm bảo độ chính xác của phép đo. Dữ liệu đo được chứng minh mạnh mẽ hiệu suất vượt trội của bệ đá granit trong việc phản ứng với những thay đổi nhiệt độ, cung cấp hỗ trợ kỹ thuật đáng tin cậy cho ngành sản xuất chất bán dẫn. Khi các quy trình sản xuất chất bán dẫn tiến tới độ chính xác cao hơn, lợi thế về độ ổn định nhiệt của bệ đá granit sẽ ngày càng nổi bật, liên tục thúc đẩy sự đổi mới và phát triển công nghệ trong ngành.
Thời gian đăng: 13-05-2025