Trong lĩnh vực sản xuất bán dẫn, độ chính xác là yếu tố sống còn đối với chất lượng và hiệu suất sản phẩm. Thiết bị đo lường bán dẫn, với vai trò là mắt xích quan trọng để đảm bảo độ chính xác sản xuất, đặt ra những yêu cầu gần như nghiêm ngặt đối với sự ổn định của các thành phần cốt lõi. Trong đó, bệ đá granit, với khả năng chịu nhiệt vượt trội, đóng vai trò không thể thiếu trong thiết bị đo lường bán dẫn. Bài viết này sẽ tiến hành phân tích chuyên sâu về hiệu suất chịu nhiệt của bệ đá granit trong thiết bị đo lường bán dẫn thông qua dữ liệu thử nghiệm thực tế.
Các yêu cầu nghiêm ngặt về độ ổn định nhiệt của thiết bị đo trong sản xuất chất bán dẫn
Quá trình sản xuất chất bán dẫn vô cùng phức tạp và đòi hỏi độ chính xác cao, với độ rộng của các đường mạch trên chip đạt đến mức nanomet. Trong một 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 linh kiện thiết bị, từ đó dẫn đến sai số 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 hở mạch trong các mạch trên chip, dẫn đến việc phải loại bỏ chip. Theo thống kê dữ liệu ngành, cứ mỗi 1℃ dao động nhiệt độ, nền tảng thiết bị đo lường bằng vật liệu kim loại truyền thống có thể bị thay đổi kích thước vài nanomet. Tuy nhiên, sản xuất chất bán dẫn yêu cầu độ chính xác đo lường phải được kiểm soát trong phạm vi ±0,1 nanomet, điều này khiến tính ổn định nhiệt trở thành yếu tố then chốt quyết định liệu thiết bị đo lường có đáp ứng được yêu cầu của sản xuất chất bán dẫn hay không.
Ưu điểm lý thuyết về tính ổn định nhiệt của các nền tảng đá granit.
Đá granit, một loại đá tự nhiên, có cấu trúc tinh thể khoáng chất bên trong đặc chắc, cấu trúc dày đặc và đồng nhất, đồng thời sở hữu ưu điểm tự nhiên về độ ổn định nhiệt. Về hệ số giãn nở nhiệt, hệ số giãn nở nhiệt của đá granit cực kỳ thấp, thường nằm trong khoảng 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 dưới cùng điều kiện thay đổi nhiệt độ, sự thay đổi kích thước của bệ đá granit nhỏ hơn nhiều so với bệ kim loại, có thể cung cấp một tham chiếu đo lường ổn định hơn cho thiết bị đo lường bán dẫn.
Ngoài ra, cấu trúc tinh thể của đá granit mang lại khả năng dẫn nhiệt đồng đều tuyệt vời. Khi thiết bị hoạt động tạo ra nhiệt hoặc nhiệt độ môi trường thay đổi, mặt bàn đá granit có thể nhanh chóng và đồng đều dẫn nhiệt đi, tránh hiện tượng quá nóng hoặc quá lạnh cục bộ, nhờ đó duy trì hiệu quả sự ổn định nhiệt độ tổng thể của mặt bàn và đảm bảo hơn nữa sự 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 đá granit trong thiết bị đo bán dẫn, chúng tôi đã thiết kế một quy trình đo lường nghiêm ngặt. Chọn một thiết bị đo wafer bán dẫn độ chính xác cao, được trang bị bệ đá granit được gia công siêu chính xác. Trong môi trường thí nghiệm, phạm vi biến đổi nhiệt độ thông thường trong xưởng sản xuất bán dẫn đã được mô phỏng, đó là làm nóng dần từ 20℃ đến 35℃ rồi làm nguội trở lại 20℃. Toàn bộ quá trình kéo dài 8 giờ.
Trên bệ đá granit của thiết bị đo, các tấm silicon tiêu chuẩn có độ chính xác cao được đặt, và các cảm biến dịch chuyển với độ chính xác ở cấp độ nano được sử dụng để theo dõi sự thay đổi vị trí tương đối giữa các tấm silicon và bệ đỡ trong thời gian thực. Đồng thời, nhiều cảm biến nhiệt độ có độ chính xác cao được bố trí ở các vị trí khác nhau trên bệ đỡ để theo dõi sự phân bố nhiệt độ trên bề mặt bệ đỡ. Trong suốt thí 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.
Phân tích dữ liệu đo lường và kết quả
Mối quan hệ giữa sự thay đổi nhiệt độ và sự thay đổi kích thước nền tảng
Dữ liệu thực nghiệm cho thấy khi nhiệt độ tăng từ 20℃ lên 35℃, sự thay đổi kích thước tuyến tính của nền đá granit là cực kỳ nhỏ. Sau khi tính toán, trong suốt toàn bộ quá trình gia nhiệt, độ giãn nở tuyến tính tối đa của nền đá chỉ là 0,3 nanomet, thấp hơn nhiều so với phạm vi dung sai sai số đối với độ chính xác đo lường trong các quy trình sản xuất chất bán dẫn. Trong giai đoạn làm nguội, kích thước của nền đá gần như có thể trở lại trạng thái ban đầu và hiện tượng trễ trong thay đổi kích thước có thể bỏ qua. Đặc tính duy trì sự thay đổi kích thước cực kỳ thấp ngay cả khi nhiệt độ dao động đáng kể đã chứng minh đầy đủ tính ổn định nhiệt vượt trội của nền đá granit.
Phân tích độ đồng đều nhiệt độ trên bề mặt bệ đỡ
Dữ liệu thu thập được từ cảm biến nhiệt độ cho thấy rằng trong quá trình vận hành thiết bị và 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 hiện tượng biến dạng bệ do ứng suất nhiệt không đồng 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 với các nền tảng vật liệu truyền thống
Dữ liệu đo được từ bệ đá granit được so sánh với dữ liệu từ 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 lên tới 2,5 nanomet, gấp hơn tám lần so với bệ đá granit. Đồng thời, 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 đo.
Trong thế giới chính xác của thiết bị đo lường bán dẫn, các bệ đá granit, với độ ổn định nhiệt vượt trội, đã trở thành trụ cột trong việc đảm bảo độ chính xác đo lường. Dữ liệu đo được chứng minh mạnh mẽ hiệu suất vượt trội của bệ đá granit trong việc đáp ứng các thay đổi nhiệt độ, cung cấp hỗ trợ kỹ thuật đáng tin cậy cho ngành công nghiệp sản xuất bán dẫn. Khi các quy trình sản xuất 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 bài: 13 tháng 5 năm 2025