Trong lĩnh vực sản xuất bán dẫn, độ chính xác là yếu tố sống còn của chất lượng và hiệu suất sản phẩm. Thiết bị đo lường bán dẫn, là mắt xích then chốt để đảm bảo độ chính xác trong sản xuất, đặt ra những yêu cầu gần như nghiêm ngặt về độ ổn định của các linh kiện 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 lường bán dẫn. Bài viết này sẽ phân tích sâu về hiệu suất ổn định nhiệt của bệ đá granit trong thiết bị đo lường bán dẫn thông qua dữ liệu thử nghiệm thực tế.
Yêu cầu nghiêm ngặt về độ ổn định nhiệt của thiết bị đo lường trong sản xuất chất bán dẫn
Quy trình sản xuất chất bán dẫn cực kỳ phức tạp và chính xác, và độ 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 lường 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 1℃ nhiệt độ dao động, nền tảng thiết bị đo lường vật liệu kim loại truyền thống có thể trải qua những 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 độ ổn định nhiệt trở thành một yếu tố quan trọng trong việc xác định liệu thiết bị đo lường có thể đáp ứng nhu cầu sản xuất chất bán dẫn hay không.
Ưu điểm lý thuyết về độ ổn định nhiệt của nền đá granit
Đá granit, là một loại đá tự nhiên, có kết tinh khoáng chất bên trong chặt chẽ, cấu trúc dày đặc và đồng nhất, 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 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 lên tới 23,8×10⁻⁶/K, cao 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 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, bệ đá granit có thể dẫn nhiệt nhanh chóng và đều đặn, tránh hiện tượng quá nhiệt hoặc quá lạnh cục bộ, 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 đá granit trong thiết bị đo bán dẫn, chúng tôi đã thiết kế một sơ đồ đo lường nghiêm ngặt. Chọn một thiết bị đo wafer bán dẫn có độ chính xác cao, được trang bị bệ đá granit được xử lý siêu chính xác. Trong môi trường thử nghiệm, phạm vi biến thiên nhiệt độ phổ biến trong xưởng sản xuất bán dẫn đã được mô phỏng, tức là tăng dần nhiệt độ từ 20℃ lên 35℃ rồi hạ nhiệt trở lại 20℃. Toàn bộ quá trình kéo dài trong 8 giờ.
Trên bệ đá granit của thiết bị đo, các tấm wafer silicon tiêu chuẩn có độ chính xác cao được đặt, và các cảm biến dịch chuyển với độ chính xác nano được sử dụng để theo dõi sự thay đổi vị trí tương đối giữa các tấm wafer silicon và bệ theo 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 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 cứ sau 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 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 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 sai số cho phép về độ chính xác đo lường trong các quy trình sản xuất chất bán dẫn. Trong giai đoạn làm nguội, kích thước bệ gần như có thể trở lại hoàn toàn trạng thái ban đầu, và hiện tượng trễ kích thước có thể được bỏ qua. Đặc tính duy trì sự thay đổi kích thước cực kỳ thấp ngay cả khi nhiệt độ dao động đáng kể này hoàn toàn chứng minh được tính ổn định nhiệt vượt trội của bệ đá granit.
Phân tích độ 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°C. Sự phân bố nhiệt độ đồng đều giúp tránh hiệu quả 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 nền tảng vật liệu truyền thống
Dữ liệu đo được của bệ đá granit đã được so sánh với dữ liệu đo 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. 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 của phép đo.
Trong thế giới thiết bị đo lường bán dẫn chính xác, bệ đá granit, với độ ổn định nhiệt vượt trội, đã trở thành trụ cột đảm bảo độ chính xác của phép đo. Dữ liệu đo được chứng minh rõ ràng hiệu suất vượt trội của bệ đá granit trong việc ứng phó với sự thay đổi nhiệt độ, cung cấp hỗ trợ kỹ thuật đáng tin cậy cho ngành sản xuất bán dẫn. Khi các quy trình sản xuất bán dẫn ngày càng 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