Trong lĩnh vực sản xuất chất bán dẫn, theo đuổi độ chính xác tối đa, hệ số giãn nở nhiệt là một trong những thông số cốt lõi ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm và độ ổn định của sản xuất. Trong toàn bộ quá trình từ quang khắc, khắc đến đóng gói, sự khác biệt về hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của sản xuất theo nhiều cách khác nhau. Tuy nhiên, nền đá granit, với hệ số giãn nở nhiệt cực thấp, đã trở thành chìa khóa để giải quyết vấn đề này.
Quá trình in thạch bản: Biến dạng nhiệt gây ra độ lệch hoa văn
Quang khắc là một bước cốt lõi trong sản xuất chất bán dẫn. Thông qua máy quang khắc, các mẫu mạch trên mặt nạ được chuyển đến bề mặt của tấm wafer được phủ chất cản quang. Trong quá trình này, việc quản lý nhiệt bên trong máy quang khắc và độ ổn định của bàn làm việc có tầm quan trọng sống còn. Lấy vật liệu kim loại truyền thống làm ví dụ. Hệ số giãn nở nhiệt của chúng xấp xỉ 12×10⁻⁶/℃. Trong quá trình vận hành máy quang khắc, nhiệt sinh ra từ nguồn sáng laser, thấu kính quang học và các thành phần cơ học sẽ khiến nhiệt độ thiết bị tăng lên 5-10 ℃. Nếu bàn làm việc của máy quang khắc sử dụng đế kim loại, đế dài 1 mét có thể gây ra biến dạng giãn nở 60-120 μm, dẫn đến sự dịch chuyển vị trí tương đối giữa mặt nạ và tấm wafer.
Trong các quy trình sản xuất tiên tiến (như 3nm và 2nm), khoảng cách giữa các bóng bán dẫn chỉ là vài nanomet. Biến dạng nhiệt nhỏ như vậy đủ để khiến mẫu quang khắc bị lệch, dẫn đến kết nối bóng bán dẫn bất thường, đoản mạch hoặc mạch hở và các vấn đề khác, trực tiếp dẫn đến hỏng chức năng chip. Hệ số giãn nở nhiệt của đế đá granit thấp tới 0,01μm/°C (tức là (1-2) ×10⁻⁶/℃) và biến dạng dưới cùng một sự thay đổi nhiệt độ chỉ bằng 1/10-1/5 so với kim loại. Nó có thể cung cấp một nền tảng chịu tải ổn định cho máy quang khắc, đảm bảo truyền chính xác mẫu quang khắc và cải thiện đáng kể năng suất sản xuất chip.
Khắc và lắng đọng: Ảnh hưởng đến độ chính xác về kích thước của cấu trúc
Khắc và lắng đọng là các quá trình chính để xây dựng các cấu trúc mạch ba chiều trên bề mặt wafer. Trong quá trình khắc, khí phản ứng trải qua phản ứng hóa học với vật liệu bề mặt của wafer. Trong khi đó, các thành phần như nguồn điện RF và điều khiển lưu lượng khí bên trong thiết bị tạo ra nhiệt, khiến nhiệt độ của wafer và các thành phần thiết bị tăng lên. Nếu hệ số giãn nở nhiệt của giá đỡ wafer hoặc đế thiết bị không khớp với hệ số giãn nở nhiệt của wafer (hệ số giãn nở nhiệt của vật liệu silicon xấp xỉ 2,6×10⁻⁶/℃), ứng suất nhiệt sẽ được tạo ra khi nhiệt độ thay đổi, có thể gây ra các vết nứt nhỏ hoặc cong vênh trên bề mặt của wafer.
Loại biến dạng này sẽ ảnh hưởng đến độ sâu khắc và độ thẳng đứng của thành bên, khiến kích thước của các rãnh khắc, lỗ xuyên và các cấu trúc khác lệch khỏi yêu cầu thiết kế. Tương tự như vậy, trong quá trình lắng đọng màng mỏng, sự khác biệt về độ giãn nở nhiệt có thể gây ra ứng suất bên trong màng mỏng lắng đọng, dẫn đến các vấn đề như nứt và bong tróc màng, ảnh hưởng đến hiệu suất điện và độ tin cậy lâu dài của chip. Việc sử dụng đế granit có hệ số giãn nở nhiệt tương tự như vật liệu silicon có thể làm giảm hiệu quả ứng suất nhiệt và đảm bảo tính ổn định và độ chính xác của quá trình khắc và lắng đọng.
Giai đoạn đóng gói: Sự không phù hợp về nhiệt gây ra các vấn đề về độ tin cậy
Trong giai đoạn đóng gói bán dẫn, tính tương thích của hệ số giãn nở nhiệt giữa chip và vật liệu đóng gói (như nhựa epoxy, gốm sứ, v.v.) là vô cùng quan trọng. Hệ số giãn nở nhiệt của silicon, vật liệu lõi của chip, tương đối thấp, trong khi hệ số giãn nở nhiệt của hầu hết các vật liệu đóng gói lại tương đối cao. Khi nhiệt độ của chip thay đổi trong quá trình sử dụng, ứng suất nhiệt sẽ xảy ra giữa chip và vật liệu đóng gói do hệ số giãn nở nhiệt không khớp.
Ứng suất nhiệt này, dưới tác động của các chu kỳ nhiệt độ lặp lại (như quá trình gia nhiệt và làm mát trong quá trình vận hành chip), có thể dẫn đến nứt mỏi các mối hàn giữa chip và chất nền đóng gói hoặc khiến các dây liên kết trên bề mặt chip bị rơi ra, cuối cùng dẫn đến hỏng kết nối điện của chip. Bằng cách lựa chọn vật liệu chất nền đóng gói có hệ số giãn nở nhiệt gần bằng vật liệu silicon và sử dụng bệ thử nghiệm bằng đá granit có độ ổn định nhiệt tuyệt vời để phát hiện độ chính xác trong quá trình đóng gói, có thể giảm hiệu quả vấn đề không khớp nhiệt, cải thiện độ tin cậy của bao bì và kéo dài tuổi thọ của chip.
Kiểm soát môi trường sản xuất: Sự ổn định đồng bộ của thiết bị và nhà máy
Ngoài việc ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình sản xuất, hệ số giãn nở nhiệt còn liên quan đến việc kiểm soát môi trường chung của các nhà máy bán dẫn. Trong các xưởng sản xuất bán dẫn lớn, các yếu tố như khởi động và dừng hệ thống điều hòa không khí và tản nhiệt của cụm thiết bị có thể gây ra sự biến động nhiệt độ môi trường. Nếu hệ số giãn nở nhiệt của sàn nhà máy, bệ thiết bị và cơ sở hạ tầng khác quá cao, nhiệt độ thay đổi trong thời gian dài sẽ khiến sàn bị nứt và nền thiết bị bị dịch chuyển, do đó ảnh hưởng đến độ chính xác của các thiết bị chính xác như máy quang khắc và máy khắc.
Bằng cách sử dụng đế đá granit làm giá đỡ thiết bị và kết hợp chúng với vật liệu xây dựng nhà máy có hệ số giãn nở nhiệt thấp, có thể tạo ra môi trường sản xuất ổn định, giảm tần suất hiệu chuẩn thiết bị và chi phí bảo trì do biến dạng nhiệt của môi trường gây ra, đồng thời đảm bảo dây chuyền sản xuất chất bán dẫn hoạt động ổn định lâu dài.
Hệ số giãn nở nhiệt chạy qua toàn bộ vòng đời của sản xuất chất bán dẫn, từ lựa chọn vật liệu, kiểm soát quy trình đến đóng gói và thử nghiệm. Tác động của giãn nở nhiệt cần được xem xét nghiêm ngặt trong mọi liên kết. Nền đá granit, với hệ số giãn nở nhiệt cực thấp và các đặc tính tuyệt vời khác, cung cấp nền tảng vật lý ổn định cho sản xuất chất bán dẫn và trở thành sự đảm bảo quan trọng để thúc đẩy sự phát triển của các quy trình sản xuất chip theo hướng chính xác hơn.
Thời gian đăng: 20-05-2025