В области производства полупроводников точность – залог качества и производительности продукции. Оборудование для измерения полупроводников, являясь ключевым звеном, обеспечивающим точность производства, предъявляет весьма строгие требования к стабильности своих основных компонентов. Среди них гранитная платформа, обладающая исключительной термостойкостью, играет незаменимую роль в полупроводниковом измерительном оборудовании. В данной статье представлен углубленный анализ термостойкости гранитных платформ в полупроводниковом измерительном оборудовании на основе данных реальных испытаний.
Жесткие требования к термостойкости измерительного оборудования в полупроводниковом производстве
Процесс производства полупроводников чрезвычайно сложен и точен, а ширина линий схемы на кристалле достигла нанометрового уровня. В таком высокоточном производственном процессе даже малейшее изменение температуры может вызвать тепловое расширение или сжатие компонентов оборудования, тем самым приводя к ошибкам измерений. Например, в процессе фотолитографии, если точность измерения измерительного оборудования отклоняется на 1 нанометр, это может вызвать серьезные проблемы, такие как короткие замыкания или обрывы в цепях на кристалле, что приводит к его браку. Согласно отраслевой статистике, при каждом колебании температуры на 1°C традиционная платформа измерительного оборудования из металлического материала может претерпеть изменения размеров на несколько нанометров. Однако производство полупроводников требует, чтобы точность измерений контролировалась в пределах ±0,1 нанометра, что делает термостабильность ключевым фактором, определяющим, может ли измерительное оборудование соответствовать требованиям полупроводниковой промышленности.
Теоретические преимущества термостойкости гранитных платформ
Гранит, как вид природного камня, имеет компактную внутреннюю кристаллизацию минералов, плотную и однородную структуру и обладает естественным преимуществом – термической стабильностью. Что касается коэффициента термического расширения, он чрезвычайно низок и обычно составляет от 4,5 до 6,5×10⁻⁶/K. В отличие от этого, коэффициент термического расширения распространённых металлических материалов, таких как алюминиевые сплавы, достигает 23,8×10⁻⁶/K, что в несколько раз превышает этот показатель у гранита. Это означает, что при одинаковых условиях изменения температуры изменение размеров гранитной платформы значительно меньше, чем у металлической, что может обеспечить более стабильный эталон для измерения полупроводникового измерительного оборудования.
Кроме того, кристаллическая структура гранита обеспечивает ему превосходную равномерность теплопроводности. При работе оборудования с выделением тепла или изменении температуры окружающей среды гранитная платформа способна быстро и равномерно отводить тепло, предотвращая локальные перегревы и переохлаждения, тем самым эффективно поддерживая общую температуру платформы и обеспечивая стабильность точности измерений.
Процесс и метод измерения термостабильности
Для точной оценки термостабильности гранитной платформы в измерительном оборудовании для полупроводников мы разработали строгую схему измерений. Для измерения полупроводниковых пластин был выбран высокоточный измерительный прибор, оснащенный гранитной платформой, обработанной с высокой точностью. В экспериментальной среде был смоделирован диапазон изменения температуры, типичный для цеха по производству полупроводников, а именно постепенный нагрев от 20 до 35 °C с последующим охлаждением до 20 °C. Весь процесс длился 8 часов.
На гранитной платформе измерительного прибора размещены высокоточные стандартные кремниевые пластины, а датчики смещения с нанометровой точностью отслеживают изменения относительного положения кремниевых пластин и платформы в режиме реального времени. Кроме того, несколько высокоточных датчиков температуры, расположенных в разных местах платформы, отслеживают распределение температуры на её поверхности. В ходе эксперимента данные о смещении и температуре записывались каждые 15 минут для обеспечения полноты и точности данных.
Измеренные данные и анализ результатов
Связь между изменениями температуры и изменениями размера платформы
Экспериментальные данные показывают, что при повышении температуры от 20 до 35 °C изменение линейного размера гранитной платформы крайне мало. После расчётов, в течение всего процесса нагрева максимальное линейное расширение платформы составляет всего 0,3 нанометра, что значительно меньше допустимой погрешности измерений в процессах производства полупроводников. В процессе охлаждения размер платформы может практически полностью вернуться к исходному состоянию, и эффект запаздывания изменения размера можно игнорировать. Эта особенность, позволяющая сохранять крайне малые изменения размеров даже при значительных колебаниях температуры, полностью подтверждает исключительную термостойкость гранитной платформы.
Анализ равномерности температуры на поверхности платформы
Данные, собранные датчиком температуры, показывают, что во время работы оборудования и в процессе изменения температуры распределение температуры на поверхности гранитной платформы чрезвычайно равномерно. Даже в период наиболее интенсивного изменения температуры разница температур между точками измерения на поверхности платформы всегда контролируется в пределах ±0,1°C. Равномерное распределение температуры эффективно предотвращает деформацию платформы, вызванную неравномерным тепловым напряжением, обеспечивая плоскостность и стабильность опорной поверхности измерения, а также создавая надежную среду для измерений в полупроводниковом метрологическом оборудовании.
По сравнению с традиционными материальными платформами
Результаты измерений, полученные на гранитной платформе, были сопоставлены с данными, полученными на полупроводниковом измерительном оборудовании того же типа, использующем платформу из алюминиевого сплава. Различия оказались значительными. При одинаковых условиях изменения температуры линейное расширение платформы из алюминиевого сплава достигало 2,5 нанометров, что более чем в восемь раз превышает аналогичный показатель для гранитной платформы. При этом распределение температуры на поверхности платформы из алюминиевого сплава было неравномерным, а максимальная разница температур достигала 0,8 °C, что приводило к заметной деформации платформы и серьёзно влияло на точность измерений.
В мире прецизионного полупроводникового метрологического оборудования гранитные платформы, благодаря своей исключительной термостабильности, стали основой обеспечения точности измерений. Результаты измерений убедительно подтверждают выдающуюся эффективность гранитной платформы в реагировании на изменения температуры, обеспечивая надежную техническую поддержку для полупроводниковой промышленности. По мере повышения точности процессов производства полупроводников преимущество гранитных платформ в плане термостабильности будет становиться все более заметным, непрерывно стимулируя технологические инновации и развитие отрасли.
Время публикации: 13 мая 2025 г.