تأثیر خاص ضریب انبساط حرارتی بر تولید نیمه هادی.

‎‏‎ ...
در زمینه تولید نیمه‌هادی‌ها که نهایت دقت را دنبال می‌کند، ضریب انبساط حرارتی یکی از پارامترهای اصلی است که بر کیفیت محصول و پایداری تولید تأثیر می‌گذارد. در کل فرآیند از فوتولیتوگرافی، حکاکی تا بسته‌بندی، تفاوت در ضرایب انبساط حرارتی مواد می‌تواند به طرق مختلف در دقت تولید اختلال ایجاد کند. با این حال، پایه گرانیتی، با ضریب انبساط حرارتی فوق‌العاده پایین خود، به کلید حل این مشکل تبدیل شده است.
فرآیند لیتوگرافی: تغییر شکل حرارتی باعث انحراف الگو می‌شود
فتولیتوگرافی یک مرحله اصلی در تولید نیمه‌هادی‌ها است. از طریق یک دستگاه فتولیتوگرافی، الگوهای مدار روی ماسک به سطح ویفر پوشش داده شده با فوتورزیست منتقل می‌شوند. در طول این فرآیند، مدیریت حرارتی درون دستگاه فتولیتوگرافی و پایداری میز کار از اهمیت حیاتی برخوردار است. به عنوان مثال، مواد فلزی سنتی را در نظر بگیرید. ضریب انبساط حرارتی آنها تقریباً 12×10⁻⁶/℃ است. در طول کار دستگاه فتولیتوگرافی، گرمای تولید شده توسط منبع نور لیزر، لنزهای نوری و اجزای مکانیکی باعث افزایش دمای تجهیزات به میزان 5 تا 10 درجه سانتیگراد می‌شود. اگر میز کار دستگاه لیتوگرافی از پایه فلزی استفاده کند، یک پایه به طول 1 متر ممکن است باعث تغییر شکل انبساطی 60 تا 120 میکرومتر شود که منجر به تغییر موقعیت نسبی بین ماسک و ویفر خواهد شد.
در فرآیندهای تولید پیشرفته (مانند ۳ نانومتر و ۲ نانومتر)، فاصله ترانزیستورها تنها چند نانومتر است. چنین تغییر شکل حرارتی کوچکی برای ایجاد ناهماهنگی در الگوی لیتوگرافی نوری کافی است و منجر به اتصالات غیرطبیعی ترانزیستور، اتصال کوتاه یا مدار باز و سایر مشکلات می‌شود که مستقیماً منجر به خرابی عملکرد تراشه می‌شود. ضریب انبساط حرارتی پایه گرانیتی به کمی ۰.۰۱μm/°C (یعنی (۱-۲) ×۱۰⁻⁶/℃) است و تغییر شکل تحت همان تغییر دما تنها ۱/۱۰-۱/۵ فلز است. این ماده می‌تواند یک سکوی تحمل بار پایدار برای دستگاه لیتوگرافی نوری فراهم کند و انتقال دقیق الگوی لیتوگرافی نوری را تضمین کرده و بازده تولید تراشه را به طور قابل توجهی بهبود بخشد.

اچینگ و رسوب‌گذاری: بر دقت ابعادی سازه تأثیر می‌گذارند
اچینگ و رسوب‌گذاری فرآیندهای کلیدی برای ساخت ساختارهای مدار سه‌بعدی روی سطح ویفر هستند. در طول فرآیند اچینگ، گاز واکنش‌پذیر با ماده سطح ویفر واکنش شیمیایی انجام می‌دهد. در همین حال، اجزایی مانند منبع تغذیه RF و کنترل جریان گاز درون تجهیزات، گرما تولید می‌کنند و باعث افزایش دمای ویفر و اجزای تجهیزات می‌شوند. اگر ضریب انبساط حرارتی حامل ویفر یا پایه تجهیزات با ویفر مطابقت نداشته باشد (ضریب انبساط حرارتی ماده سیلیکونی تقریباً 2.6×10⁻⁶/℃ است)، با تغییر دما، تنش حرارتی ایجاد می‌شود که ممکن است باعث ایجاد ترک‌های ریز یا تاب برداشتن روی سطح ویفر شود.
این نوع تغییر شکل بر عمق حکاکی و عمودی بودن دیواره جانبی تأثیر می‌گذارد و باعث می‌شود ابعاد شیارهای حکاکی شده، سوراخ‌های میان آنها و سایر ساختارها از الزامات طراحی منحرف شوند. به طور مشابه، در فرآیند رسوب‌گذاری لایه نازک، تفاوت در انبساط حرارتی ممکن است باعث ایجاد تنش داخلی در لایه نازک رسوب شده شود و منجر به مشکلاتی مانند ترک خوردن و لایه برداری لایه شود که بر عملکرد الکتریکی و قابلیت اطمینان طولانی مدت تراشه تأثیر می‌گذارد. استفاده از پایه‌های گرانیتی با ضریب انبساط حرارتی مشابه مواد سیلیکونی می‌تواند به طور مؤثر تنش حرارتی را کاهش داده و پایداری و دقت فرآیندهای حکاکی و رسوب‌گذاری را تضمین کند.
مرحله بسته‌بندی: عدم تطابق حرارتی باعث ایجاد مشکلات مربوط به قابلیت اطمینان می‌شود
در مرحله بسته‌بندی نیمه‌هادی، سازگاری ضرایب انبساط حرارتی بین تراشه و ماده بسته‌بندی (مانند رزین اپوکسی، سرامیک و غیره) از اهمیت حیاتی برخوردار است. ضریب انبساط حرارتی سیلیکون، ماده اصلی تراشه‌ها، نسبتاً پایین است، در حالی که این ضریب در اکثر مواد بسته‌بندی نسبتاً بالاست. هنگامی که دمای تراشه در حین استفاده تغییر می‌کند، به دلیل عدم تطابق ضرایب انبساط حرارتی، تنش حرارتی بین تراشه و ماده بسته‌بندی رخ می‌دهد.
این تنش حرارتی، تحت تأثیر چرخه‌های دمایی مکرر (مانند گرمایش و سرمایش در حین کار تراشه)، می‌تواند منجر به ترک‌خوردگی خستگی اتصالات لحیم بین تراشه و بستر بسته‌بندی شود، یا باعث جدا شدن سیم‌های اتصال روی سطح تراشه شود که در نهایت منجر به خرابی اتصال الکتریکی تراشه می‌شود. با انتخاب مواد بستر بسته‌بندی با ضریب انبساط حرارتی نزدیک به مواد سیلیکونی و استفاده از سکوهای آزمایش گرانیتی با پایداری حرارتی عالی برای تشخیص دقت در حین فرآیند بسته‌بندی، می‌توان مشکل عدم تطابق حرارتی را به طور مؤثر کاهش داد، قابلیت اطمینان بسته‌بندی را بهبود بخشید و عمر مفید تراشه را افزایش داد.
کنترل محیط تولید: پایداری هماهنگ تجهیزات و ساختمان‌های کارخانه
ضریب انبساط حرارتی علاوه بر تأثیر مستقیم بر فرآیند تولید، با کنترل کلی شرایط محیطی کارخانه‌های نیمه‌هادی نیز مرتبط است. در کارگاه‌های بزرگ تولید نیمه‌هادی، عواملی مانند شروع و توقف سیستم‌های تهویه مطبوع و اتلاف حرارت خوشه‌های تجهیزات می‌تواند باعث نوسانات دمای محیط شود. اگر ضریب انبساط حرارتی کف کارخانه، پایه‌های تجهیزات و سایر زیرساخت‌ها خیلی زیاد باشد، تغییرات دمایی طولانی مدت باعث ترک خوردن کف و جابجایی پایه تجهیزات می‌شود و در نتیجه بر دقت تجهیزات دقیق مانند دستگاه‌های فوتولیتوگرافی و دستگاه‌های حکاکی تأثیر می‌گذارد.
با استفاده از پایه‌های گرانیتی به عنوان تکیه‌گاه تجهیزات و ترکیب آنها با مصالح ساختمانی کارخانه با ضرایب انبساط حرارتی پایین، می‌توان یک محیط تولید پایدار ایجاد کرد که باعث کاهش دفعات کالیبراسیون تجهیزات و هزینه‌های نگهداری ناشی از تغییر شکل حرارتی محیطی و تضمین عملکرد پایدار بلندمدت خط تولید نیمه‌هادی می‌شود.
ضریب انبساط حرارتی در کل چرخه عمر تولید نیمه‌هادی، از انتخاب مواد، کنترل فرآیند گرفته تا بسته‌بندی و آزمایش، جریان دارد. تأثیر انبساط حرارتی باید در هر مرحله به طور دقیق در نظر گرفته شود. پایه‌های گرانیتی، با ضریب انبساط حرارتی فوق‌العاده پایین و سایر خواص عالی خود، پایه فیزیکی پایداری را برای تولید نیمه‌هادی فراهم می‌کنند و به تضمین مهمی برای ارتقاء توسعه فرآیندهای تولید تراشه به سمت دقت بالاتر تبدیل می‌شوند.