Trong lĩnh vực sản xuất chất bán dẫn, vốn luôn theo đuổi độ chính xác tuyệt đối, hệ số giãn nở nhiệt là một trong những thông số cốt lõi ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm và độ ổn định 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 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 họa tiết mạch trên mặt nạ được chuyển lên bề mặt wafer được phủ lớp cản quang. Trong quá trình này, việc quản lý nhiệt bên trong máy quang khắc và độ ổn định của bàn làm việc đóng vai trò vô cùng quan trọng. 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 bộ phận cơ khí sẽ làm nhiệt độ thiết bị tăng thêm 5-10℃. Nếu bàn làm việc của máy quang khắc sử dụng đế kim loại, một 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 wafer.
Trong các quy trình sản xuất tiên tiến (như 3nm và 2nm), khoảng cách giữa các transistor chỉ vài nanomet. Biến dạng nhiệt nhỏ như vậy đủ để làm lệch mẫu quang khắc, dẫn đến kết nối transistor bất thường, đoản mạch hoặc hở mạch, và các vấn đề khác, trực tiếp dẫn đến hỏng hóc chức năng chip. Hệ số giãn nở nhiệt của đế đá granit chỉ thấp tới 0,01μm/°C (tức là (1-2) ×10⁻⁶/℃), và độ biến dạng dưới cùng một mức thay đổi nhiệt độ chỉ bằng 1/10-1/5 so với kim loại. Nó có thể cung cấp một nền tảng chịu lực ổn định cho máy quang khắc, đảm bảo việc truyền tải 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. Đồng thời, các thành phần như nguồn điện RF và bộ điều khiển lưu lượng khí bên trong thiết bị sinh 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 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 bị lệch so với yêu cầu thiết kế. Tương tự, trong quá trình lắng đọng màng mỏng, sự chênh lệch độ giãn nở nhiệt có thể gây ra ứng suất bên trong màng mỏng được 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 đá granit có hệ số giãn nở nhiệt tương tự như vật liệu silicon có thể giảm ứng suất nhiệt hiệu quả, 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, sự tương thích giữa hệ số giãn nở nhiệt giữa chip và vật liệu đóng gói (như nhựa epoxy, gốm, 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 tương thích.
Ứng suất nhiệt này, dưới tác động của các chu kỳ nhiệt độ lặp lại (chẳng hạn như quá trình gia nhiệt và làm mát trong quá trình vận hành chip), có thể dẫn đến nứt mỏi mối hàn giữa chip và đế đóng gói, hoặc làm bong các dây liên kết trên bề mặt chip, cuối cùng dẫn đến hỏng kết nối điện của chip. Bằng cách lựa chọn vật liệu đế đóng gói có hệ số giãn nở nhiệt gần bằng vật liệu silicon và sử dụng bệ thử nghiệm đá granit có độ ổn định nhiệt tuyệt vời để phát hiện độ chính xác trong quá trình đóng gói, vấn đề không đồng nhất nhiệt có thể được giảm thiểu hiệu quả, độ tin cậy của quá trình đóng gói được cải thiện và tuổi thọ của chip được kéo dài.
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 tổng thể của các nhà máy bán dẫn. Trong các xưởng sản xuất bán dẫn lớn, các yếu tố như việc khởi động và dừng hệ thống điều hòa không khí và tản nhiệt của cụm thiết bị có thể gây ra biến động nhiệt độ môi trường. Nếu hệ số giãn nở nhiệt của sàn nhà máy, bệ thiết bị và các cơ sở hạ tầng khác quá cao, sự thay đổi nhiệt độ trong thời gian dài sẽ khiến sàn nhà bị nứt và nền móng thiết bị bị dịch chuyển, từ 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 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 xuyên suốt toàn bộ vòng đời của sản xuất chất bán dẫn, từ khâu 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 khâu. Nền đá granit, với hệ số giãn nở nhiệt cực thấp và các đặc tính ưu việt khác, tạo nên nền tảng vật lý ổn định cho sản xuất chất bán dẫn và trở thành một đảm bảo quan trọng để thúc đẩy sự phát triển của quy trình sản xuất chip hướng tới độ chính xác cao hơn.
Thời gian đăng: 20-05-2025