อิทธิพลเฉพาะของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนต่อการผลิตเซมิคอนดักเตอร์

ในอุตสาหกรรมการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งมุ่งเน้นความแม่นยำสูงสุด ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนเป็นหนึ่งในปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อคุณภาพและเสถียรภาพในการผลิตของผลิตภัณฑ์ ตลอดกระบวนการทั้งหมด ตั้งแต่การพิมพ์หินด้วยแสง การกัดกรด ไปจนถึงการบรรจุ ความแตกต่างของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของวัสดุอาจส่งผลต่อความแม่นยำในการผลิตได้หลายประการ อย่างไรก็ตาม ฐานหินแกรนิตที่มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำมาก ได้กลายเป็นกุญแจสำคัญในการแก้ไขปัญหานี้
กระบวนการพิมพ์หิน: การเสียรูปเนื่องจากความร้อนทำให้รูปแบบเบี่ยงเบน
การพิมพ์หินด้วยแสง (Photolithography) เป็นขั้นตอนสำคัญในการผลิตสารกึ่งตัวนำ ลวดลายวงจรบนแผ่นฟิล์มจะถูกถ่ายโอนไปยังพื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์ที่เคลือบด้วยโฟโตเรซิสต์ผ่านเครื่องโฟโตลิโทกราฟี ในกระบวนการนี้ การจัดการความร้อนภายในเครื่องโฟโตลิโทกราฟีและความเสถียรของโต๊ะทำงานมีความสำคัญอย่างยิ่งยวด ยกตัวอย่างเช่นวัสดุโลหะแบบดั้งเดิม ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนอยู่ที่ประมาณ 12×10⁻⁶/℃ ในระหว่างการทำงานของเครื่องโฟโตลิโทกราฟี ความร้อนที่เกิดจากแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ เลนส์ออปติคอล และส่วนประกอบทางกล จะทำให้อุณหภูมิของอุปกรณ์สูงขึ้น 5-10℃ หากโต๊ะทำงานของเครื่องลิโทกราฟีใช้ฐานโลหะ ฐานที่มีความยาว 1 เมตร อาจทำให้เกิดการเสียรูปจากการขยายตัวได้ 60-120 ไมโครเมตร ซึ่งจะนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงตำแหน่งสัมพัทธ์ระหว่างแผ่นฟิล์มและแผ่นเวเฟอร์
ในกระบวนการผลิตขั้นสูง (เช่น 3 นาโนเมตรและ 2 นาโนเมตร) ระยะห่างระหว่างทรานซิสเตอร์มีเพียงไม่กี่นาโนเมตร การเสียรูปจากความร้อนเพียงเล็กน้อยเช่นนี้เพียงพอที่จะทำให้รูปแบบการพิมพ์ด้วยแสง (photolithography) ผิดตำแหน่ง นำไปสู่การเชื่อมต่อทรานซิสเตอร์ที่ผิดปกติ ไฟฟ้าลัดวงจร หรือวงจรเปิด และปัญหาอื่นๆ ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อความล้มเหลวของฟังก์ชันชิป ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของฐานหินแกรนิตต่ำถึง 0.01 ไมโครเมตร/°C (เช่น (1-2) ×10⁻⁶/℃) และการเสียรูปภายใต้การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเดียวกันนั้นมีค่าเพียง 1/10-1/5 ของโลหะ สามารถใช้เป็นฐานรับน้ำหนักที่มั่นคงสำหรับเครื่องพิมพ์ด้วยแสง (photolithography) ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการถ่ายโอนรูปแบบการพิมพ์ด้วยแสงที่แม่นยำ และเพิ่มผลผลิตของการผลิตชิปได้อย่างมาก

การกัดและการสะสม: ส่งผลต่อความแม่นยำของมิติของโครงสร้าง
การกัดและการสะสมตัวเป็นกระบวนการสำคัญในการสร้างโครงสร้างวงจรสามมิติบนพื้นผิวเวเฟอร์ ในระหว่างกระบวนการกัด ก๊าซที่ทำปฏิกิริยาจะทำปฏิกิริยาเคมีกับวัสดุพื้นผิวของเวเฟอร์ ในขณะเดียวกัน อุปกรณ์ต่างๆ เช่น แหล่งจ่ายไฟ RF และระบบควบคุมการไหลของก๊าซภายในอุปกรณ์จะสร้างความร้อน ทำให้อุณหภูมิของเวเฟอร์และส่วนประกอบของอุปกรณ์สูงขึ้น หากค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของตัวพาเวเฟอร์หรือฐานอุปกรณ์ไม่ตรงกับค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของเวเฟอร์ (ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของวัสดุซิลิคอนอยู่ที่ประมาณ 2.6×10⁻⁶/℃) จะเกิดความเครียดจากความร้อนเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง ซึ่งอาจทำให้เกิดรอยแตกเล็กๆ หรือรอยบิดงอบนพื้นผิวของเวเฟอร์
การเสียรูปเช่นนี้จะส่งผลต่อความลึกของการกัดและแนวตั้งของผนังด้านข้าง ทำให้ขนาดของร่องที่กัด รู และโครงสร้างอื่นๆ เบี่ยงเบนไปจากข้อกำหนดการออกแบบ ในทำนองเดียวกัน ในกระบวนการเคลือบฟิล์มบาง ความแตกต่างของการขยายตัวทางความร้อนอาจทำให้เกิดความเค้นภายในฟิล์มบางที่เคลือบ ซึ่งนำไปสู่ปัญหาต่างๆ เช่น การแตกร้าวและการลอกของฟิล์ม ซึ่งส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพทางไฟฟ้าและความน่าเชื่อถือในระยะยาวของเศษวัสดุ การใช้ฐานหินแกรนิตที่มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนใกล้เคียงกับวัสดุซิลิคอน สามารถลดความเค้นทางความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ และรับประกันความเสถียรและความแม่นยำของกระบวนการกัดและเคลือบ
ขั้นตอนการบรรจุภัณฑ์: ความไม่ตรงกันของความร้อนทำให้เกิดปัญหาด้านความน่าเชื่อถือ
ในขั้นตอนการบรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์ ความเข้ากันได้ของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนระหว่างชิปและวัสดุบรรจุภัณฑ์ (เช่น เรซินอีพอกซี เซรามิกส์ ฯลฯ) มีความสำคัญอย่างยิ่งยวด ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของซิลิคอน ซึ่งเป็นวัสดุแกนกลางของชิป ค่อนข้างต่ำ ในขณะที่ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของวัสดุบรรจุภัณฑ์ส่วนใหญ่ค่อนข้างสูง เมื่ออุณหภูมิของชิปเปลี่ยนแปลงระหว่างการใช้งาน จะเกิดความเครียดจากความร้อนระหว่างชิปและวัสดุบรรจุภัณฑ์เนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่ไม่ตรงกัน
ความเครียดจากความร้อนนี้ ภายใต้อิทธิพลของวัฏจักรอุณหภูมิซ้ำๆ (เช่น การให้ความร้อนและความเย็นระหว่างการทำงานของชิป) อาจทำให้เกิดรอยแตกร้าวจากความล้าที่จุดบัดกรีระหว่างชิปและวัสดุบรรจุภัณฑ์ หรือทำให้สายเชื่อมบนพื้นผิวชิปหลุดออก ซึ่งส่งผลให้การเชื่อมต่อทางไฟฟ้าของชิปล้มเหลวในที่สุด การเลือกวัสดุบรรจุภัณฑ์ที่มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนใกล้เคียงกับวัสดุซิลิคอน และใช้แท่นทดสอบหินแกรนิตที่มีเสถียรภาพทางความร้อนสูงสำหรับการตรวจจับที่แม่นยำระหว่างกระบวนการบรรจุภัณฑ์ จะช่วยลดปัญหาความไม่ตรงกันทางความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ เพิ่มความน่าเชื่อถือของบรรจุภัณฑ์ และยืดอายุการใช้งานของชิป
การควบคุมสภาพแวดล้อมการผลิต: เสถียรภาพที่ประสานกันของอุปกรณ์และอาคารโรงงาน
นอกจากจะส่งผลโดยตรงต่อกระบวนการผลิตแล้ว ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนยังเกี่ยวข้องกับการควบคุมสภาพแวดล้อมโดยรวมของโรงงานผลิตเซมิคอนดักเตอร์อีกด้วย ในโรงงานผลิตเซมิคอนดักเตอร์ขนาดใหญ่ ปัจจัยต่างๆ เช่น การเริ่มต้นและหยุดการทำงานของระบบปรับอากาศ และการกระจายความร้อนของกลุ่มอุปกรณ์ อาจทำให้อุณหภูมิแวดล้อมผันผวน หากค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนของพื้นโรงงาน ฐานอุปกรณ์ และโครงสร้างพื้นฐานอื่นๆ สูงเกินไป การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในระยะยาวจะทำให้พื้นแตกร้าวและฐานอุปกรณ์เคลื่อนตัว ซึ่งจะส่งผลกระทบต่อความแม่นยำของอุปกรณ์ความแม่นยำสูง เช่น เครื่องโฟโตลิโทกราฟีและเครื่องกัดกรด
การใช้ฐานหินแกรนิตเป็นฐานรองรับอุปกรณ์และผสมผสานกับวัสดุก่อสร้างโรงงานที่มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนต่ำ สามารถสร้างสภาพแวดล้อมการผลิตที่เสถียร ลดความถี่ในการสอบเทียบอุปกรณ์และต้นทุนการบำรุงรักษาที่เกิดจากการเสียรูปเนื่องจากความร้อนของสิ่งแวดล้อม และช่วยให้มั่นใจถึงการทำงานที่เสถียรในระยะยาวของสายการผลิตเซมิคอนดักเตอร์
ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนครอบคลุมตลอดวงจรชีวิตของการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ ตั้งแต่การเลือกใช้วัสดุ การควบคุมกระบวนการ ไปจนถึงการบรรจุและการทดสอบ ผลกระทบของการขยายตัวทางความร้อนต้องได้รับการพิจารณาอย่างเข้มงวดในทุกขั้นตอนการผลิต ฐานหินแกรนิตที่มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำเป็นพิเศษและคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมอื่นๆ จึงเป็นรากฐานทางกายภาพที่มั่นคงสำหรับการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ และกลายเป็นหลักประกันสำคัญในการส่งเสริมการพัฒนากระบวนการผลิตชิปให้มีความแม่นยำสูงยิ่งขึ้น