อิทธิพลเฉพาะของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนต่อการผลิตเซมิคอนดักเตอร์

ในสาขาการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ซึ่งมุ่งเน้นที่ความแม่นยำขั้นสูงสุด ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนเป็นหนึ่งในพารามิเตอร์หลักที่ส่งผลต่อคุณภาพของผลิตภัณฑ์และความเสถียรของการผลิต ตลอดกระบวนการทั้งหมด ตั้งแต่การพิมพ์ด้วยแสง การแกะสลัก ไปจนถึงการบรรจุภัณฑ์ ความแตกต่างของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของวัสดุสามารถรบกวนความแม่นยำในการผลิตได้หลายวิธี อย่างไรก็ตาม ฐานหินแกรนิตที่มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนต่ำเป็นพิเศษได้กลายมาเป็นกุญแจสำคัญในการแก้ไขปัญหานี้
กระบวนการลิโทกราฟี: การเปลี่ยนรูปเนื่องจากความร้อนทำให้รูปแบบเบี่ยงเบน
การพิมพ์หินด้วยแสงเป็นขั้นตอนหลักในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ โดยผ่านเครื่องการพิมพ์หินด้วยแสง ลวดลายวงจรบนหน้ากากจะถูกถ่ายโอนไปยังพื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์ที่เคลือบด้วยโฟโตรีซิสต์ ในระหว่างกระบวนการนี้ การจัดการความร้อนภายในเครื่องการพิมพ์หินด้วยแสงและความเสถียรของโต๊ะทำงานมีความสำคัญอย่างยิ่ง ยกตัวอย่างเช่น วัสดุโลหะแบบดั้งเดิม ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนอยู่ที่ประมาณ 12×10⁻⁶/℃ ในระหว่างการทำงานของเครื่องการพิมพ์หินด้วยแสง ความร้อนที่เกิดจากแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ เลนส์ออปติก และส่วนประกอบทางกลจะทำให้อุณหภูมิของอุปกรณ์เพิ่มขึ้น 5-10 ℃ หากโต๊ะทำงานของเครื่องการพิมพ์หินใช้ฐานโลหะ ฐานที่มีความยาว 1 เมตรอาจทำให้เกิดการเสียรูปจากการขยายตัว 60-120 μm ซึ่งจะนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงในตำแหน่งสัมพันธ์ระหว่างหน้ากากและแผ่นเวเฟอร์
ในกระบวนการผลิตขั้นสูง (เช่น 3 นาโนเมตรและ 2 นาโนเมตร) ระยะห่างระหว่างทรานซิสเตอร์มีเพียงไม่กี่นาโนเมตร การเสียรูปจากความร้อนเพียงเล็กน้อยนั้นเพียงพอที่จะทำให้รูปแบบโฟโตลิโทกราฟีไม่ตรงแนว ส่งผลให้การเชื่อมต่อทรานซิสเตอร์ผิดปกติ ไฟฟ้าลัดวงจรหรือวงจรเปิด และปัญหาอื่นๆ ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อความล้มเหลวของฟังก์ชันชิป ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของฐานหินแกรนิตต่ำถึง 0.01 ไมโครเมตร/°C (กล่าวคือ (1-2) ×10⁻⁶/℃) และการเสียรูปภายใต้การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเดียวกันนั้นมีเพียง 1/10-1/5 ของโลหะเท่านั้น ซึ่งช่วยให้มีแพลตฟอร์มรับน้ำหนักที่มั่นคงสำหรับเครื่องโฟโตลิโทกราฟี ทำให้สามารถถ่ายโอนรูปแบบโฟโตลิโทกราฟีได้อย่างแม่นยำ และปรับปรุงผลผลิตของการผลิตชิปได้อย่างมาก

การกัดและการสะสม: ส่งผลต่อความแม่นยำของมิติของโครงสร้าง
การกัดและการสะสมเป็นกระบวนการสำคัญในการสร้างโครงสร้างวงจรสามมิติบนพื้นผิวเวเฟอร์ ในระหว่างกระบวนการกัด ก๊าซที่ทำปฏิกิริยาจะเกิดปฏิกิริยาเคมีกับวัสดุพื้นผิวของเวเฟอร์ ในขณะเดียวกัน ส่วนประกอบต่างๆ เช่น แหล่งจ่ายไฟ RF และการควบคุมการไหลของก๊าซภายในอุปกรณ์จะสร้างความร้อน ส่งผลให้อุณหภูมิของเวเฟอร์และส่วนประกอบของอุปกรณ์สูงขึ้น หากค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของตัวพาเวเฟอร์หรือฐานอุปกรณ์ไม่ตรงกับค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของวัสดุซิลิกอนอยู่ที่ประมาณ 2.6×10⁻⁶/℃) จะเกิดความเครียดจากความร้อนเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลง ซึ่งอาจทำให้เกิดรอยแตกร้าวเล็กๆ หรือบิดเบี้ยวบนพื้นผิวของเวเฟอร์
การเสียรูปประเภทนี้จะส่งผลต่อความลึกของการกัดและแนวตั้งของผนังด้านข้าง ทำให้ขนาดของร่องที่กัด รู และโครงสร้างอื่นๆ เบี่ยงเบนไปจากข้อกำหนดการออกแบบ ในทำนองเดียวกัน ในกระบวนการเคลือบฟิล์มบาง ความแตกต่างของการขยายตัวเนื่องจากความร้อนอาจทำให้เกิดความเค้นภายในในฟิล์มบางที่เคลือบ ซึ่งนำไปสู่ปัญหาต่างๆ เช่น การแตกร้าวและการลอกของฟิล์ม ซึ่งส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพทางไฟฟ้าและความน่าเชื่อถือในระยะยาวของชิป การใช้ฐานหินแกรนิตที่มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนใกล้เคียงกับวัสดุซิลิกอนสามารถลดความเค้นเนื่องจากความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ และช่วยให้มั่นใจได้ถึงความเสถียรและความแม่นยำของกระบวนการกัดและเคลือบ
ขั้นตอนการบรรจุภัณฑ์: ความไม่ตรงกันของความร้อนทำให้เกิดปัญหาความน่าเชื่อถือ
ในขั้นตอนการบรรจุภัณฑ์เซมิคอนดักเตอร์ ความเข้ากันได้ของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนระหว่างชิปและวัสดุบรรจุภัณฑ์ (เช่น เรซินอีพอกซี เซรามิกส์ เป็นต้น) มีความสำคัญอย่างยิ่ง ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของซิลิกอน ซึ่งเป็นวัสดุหลักของชิป ค่อนข้างต่ำ ในขณะที่ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของวัสดุบรรจุภัณฑ์ส่วนใหญ่ค่อนข้างสูง เมื่ออุณหภูมิของชิปเปลี่ยนแปลงในระหว่างการใช้งาน จะเกิดความเครียดจากความร้อนระหว่างชิปและวัสดุบรรจุภัณฑ์เนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนไม่ตรงกัน
ความเครียดจากความร้อนนี้ภายใต้ผลกระทบของรอบอุณหภูมิซ้ำๆ (เช่น การให้ความร้อนและความเย็นในระหว่างการทำงานของชิป) อาจทำให้เกิดรอยแตกร้าวจากความเมื่อยล้าที่จุดเชื่อมระหว่างชิปและพื้นผิวบรรจุภัณฑ์ หรือทำให้สายเชื่อมต่อบนพื้นผิวชิปหลุดออก ซึ่งส่งผลให้การเชื่อมต่อไฟฟ้าของชิปล้มเหลวในที่สุด การเลือกวัสดุพื้นผิวบรรจุภัณฑ์ที่มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนใกล้เคียงกับวัสดุซิลิกอน และใช้แท่นทดสอบหินแกรนิตที่มีเสถียรภาพทางความร้อนที่ยอดเยี่ยมสำหรับการตรวจจับความแม่นยำระหว่างกระบวนการบรรจุภัณฑ์ จะสามารถลดปัญหาความไม่ตรงกันทางความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ความน่าเชื่อถือของบรรจุภัณฑ์สามารถปรับปรุงได้ และอายุการใช้งานของชิปสามารถยืดออกไปได้
การควบคุมสภาพแวดล้อมการผลิต: เสถียรภาพที่ประสานกันของอุปกรณ์และอาคารโรงงาน
นอกจากจะส่งผลโดยตรงต่อกระบวนการผลิตแล้ว ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนยังเกี่ยวข้องกับการควบคุมสภาพแวดล้อมโดยรวมของโรงงานเซมิคอนดักเตอร์อีกด้วย ในเวิร์กช็อปการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ขนาดใหญ่ ปัจจัยต่างๆ เช่น การเปิดและปิดระบบปรับอากาศและการกระจายความร้อนของกลุ่มอุปกรณ์อาจทำให้อุณหภูมิแวดล้อมผันผวนได้ หากค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของพื้นโรงงาน ฐานอุปกรณ์ และโครงสร้างพื้นฐานอื่นๆ สูงเกินไป การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิในระยะยาวจะทำให้พื้นแตกร้าวและฐานอุปกรณ์เคลื่อนตัว ส่งผลให้ความแม่นยำของอุปกรณ์ที่มีความแม่นยำ เช่น เครื่องโฟโตลิโทกราฟีและเครื่องแกะสลักได้รับผลกระทบ
การใช้ฐานหินแกรนิตเป็นฐานรองรับอุปกรณ์และผสมผสานกับวัสดุก่อสร้างโรงงานที่มีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนต่ำ จะช่วยให้สร้างสภาพแวดล้อมการผลิตที่เสถียรได้ ลดความถี่ในการสอบเทียบอุปกรณ์และต้นทุนการบำรุงรักษาที่เกิดจากการเสียรูปเนื่องจากความร้อนของสิ่งแวดล้อม และช่วยให้มั่นใจได้ว่าสายการผลิตเซมิคอนดักเตอร์จะทำงานได้อย่างเสถียรในระยะยาว
ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนนั้นดำเนินไปตลอดวงจรชีวิตของการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ทั้งหมด ตั้งแต่การเลือกวัสดุ การควบคุมกระบวนการ ไปจนถึงการบรรจุหีบห่อและการทดสอบ ผลกระทบของการขยายตัวเนื่องจากความร้อนนั้นต้องได้รับการพิจารณาอย่างเคร่งครัดในทุกขั้นตอน ฐานแกรนิตซึ่งมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนต่ำเป็นพิเศษและมีคุณสมบัติที่ยอดเยี่ยมอื่นๆ ถือเป็นรากฐานทางกายภาพที่มั่นคงสำหรับการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ และกลายมาเป็นหลักประกันที่สำคัญในการส่งเสริมการพัฒนากระบวนการผลิตชิปให้มีความแม่นยำสูงขึ้น