منصة اختبار أشباه الموصلات: ما هي المزايا النسبية لاستخدام الجرانيت مقارنة بمواد الحديد الزهر؟

في مجال اختبار أشباه الموصلات، يلعب اختيار مادة منصة الاختبار دورًا حاسمًا في دقة الاختبار واستقرار الجهاز. وبالمقارنة مع مواد الحديد الزهر التقليدية، أصبح الجرانيت الخيار الأمثل لمنصات اختبار أشباه الموصلات نظرًا لأدائه المتميز.
تضمن مقاومة التآكل المتميزة تشغيلاً مستقراً على المدى الطويل
خلال عملية اختبار أشباه الموصلات، تُستخدم عادةً مواد كيميائية متنوعة، مثل محلول هيدروكسيد البوتاسيوم (KOH) المستخدم في تحميض المقاوم الضوئي، ومواد شديدة التآكل كحمض الهيدروفلوريك (HF) وحمض النيتريك (HNO₃) في عملية الحفر. يتكون الحديد الزهر بشكل أساسي من عنصر الحديد. في مثل هذه البيئة الكيميائية، تزداد احتمالية حدوث تفاعلات الأكسدة والاختزال. تفقد ذرات الحديد إلكترونات وتخضع لتفاعلات إزاحة مع المواد الحمضية في المحلول، مما يُسبب تآكلًا سريعًا للسطح، وتكوّن الصدأ والتجاويف، والإضرار باستواء ودقة أبعاد المنصة.

على النقيض من ذلك، يمنح التركيب المعدني للجرانيت مقاومة استثنائية للتآكل. فمكونه الرئيسي، الكوارتز (SiO₂)، يتمتع بخصائص كيميائية مستقرة للغاية، ويكاد لا يتفاعل مع الأحماض والقواعد الشائعة. كما أن معادن أخرى، مثل الفلسبار، خاملة في البيئات الكيميائية العامة. وقد أظهرت العديد من التجارب أن مقاومة الجرانيت للتآكل الكيميائي، في نفس البيئة الكيميائية المحاكاة لكشف أشباه الموصلات، تفوق مقاومة الحديد الزهر بأكثر من 15 ضعفًا. وهذا يعني أن استخدام منصات الجرانيت يُمكن أن يُقلل بشكل كبير من تكرار وتكلفة صيانة المعدات الناتجة عن التآكل، ويُطيل عمرها الافتراضي، ويضمن استقرار دقة الكشف على المدى الطويل.
استقرار فائق، يلبي متطلبات دقة الكشف على مستوى النانومتر
تتطلب اختبارات أشباه الموصلات استقرارًا عاليًا للغاية للمنصة، وتحتاج إلى قياس خصائص الشريحة بدقة متناهية على المستوى النانوي. معامل التمدد الحراري للحديد الزهر مرتفع نسبيًا، ويبلغ حوالي 10-12 × 10⁻⁶/درجة مئوية. ستؤدي الحرارة المتولدة عن تشغيل جهاز الكشف أو تقلبات درجة الحرارة المحيطة إلى تمدد وانكماش حراري كبيرين لمنصة الحديد الزهر، مما ينتج عنه انحراف موضعي بين مسبار الكشف والشريحة، ويؤثر على دقة القياس.

يبلغ معامل التمدد الحراري للجرانيت 0.6-5×10⁻⁶/درجة مئوية فقط، وهو جزء ضئيل أو حتى أقل من معامل التمدد الحراري للحديد الزهر. يتميز الجرانيت ببنية كثيفة، حيث تم التخلص من الإجهاد الداخلي بشكل شبه كامل بفعل التقادم الطبيعي على المدى الطويل، كما أنه لا يتأثر بشكل كبير بتغيرات درجة الحرارة. إضافةً إلى ذلك، يتمتع الجرانيت بصلابة عالية، إذ تبلغ صلابته ضعفين إلى ثلاثة أضعاف صلابة الحديد الزهر (ما يعادل HRC > 51)، مما يجعله مقاومًا للصدمات والاهتزازات الخارجية، ويحافظ على استواء سطحه. على سبيل المثال، في مجال الكشف عالي الدقة عن الدوائر الإلكترونية، يمكن لسطح الجرانيت التحكم في خطأ الاستواء ضمن نطاق ±0.5 ميكرومتر/متر، مما يضمن قدرة أجهزة الكشف على تحقيق دقة نانوية في البيئات المعقدة.
خاصية مضادة للمغناطيسية فائقة، مما يخلق بيئة كشف نقية
تُعدّ المكونات الإلكترونية وأجهزة الاستشعار في معدات اختبار أشباه الموصلات شديدة الحساسية للتداخل الكهرومغناطيسي. يتمتع الحديد الزهر بدرجة معينة من المغناطيسية، وفي بيئة كهرومغناطيسية، يُولّد مجالًا مغناطيسيًا مستحثًا، يتداخل مع الإشارات الكهرومغناطيسية لمعدات الكشف، مما يؤدي إلى تشويه الإشارة وظهور بيانات كشف غير طبيعية.

من ناحية أخرى، يُعدّ الجرانيت مادةً مضادةً للمغناطيسية، ويكاد لا يتأثر بالمجالات المغناطيسية الخارجية. تتواجد الإلكترونات الداخلية في أزواج ضمن الروابط الكيميائية، ويتميز تركيبه بالاستقرار، فلا يتأثر بالقوى الكهرومغناطيسية الخارجية. في بيئة مجال مغناطيسي قوي تبلغ شدته 10 ملي تسلا، تكون شدة المجال المغناطيسي المستحث على سطح الجرانيت أقل من 0.001 ملي تسلا، بينما تصل على سطح الحديد الزهر إلى أكثر من 8 ملي تسلا. تُمكّن هذه الخاصية منصة الجرانيت من توفير بيئة كهرومغناطيسية نقية لأجهزة الكشف، وهي مناسبة بشكل خاص للسيناريوهات التي تتطلب معايير صارمة للضوضاء الكهرومغناطيسية، مثل الكشف عن الرقائق الكمومية والكشف عن الدوائر التناظرية عالية الدقة، مما يُحسّن بشكل فعّال موثوقية نتائج الكشف واتساقها.

في مجال بناء منصات اختبار أشباه الموصلات، تفوق الجرانيت بشكل ملحوظ على الحديد الزهر بفضل مزاياه الكبيرة، مثل مقاومته للتآكل، وثباته، ومقاومته للمغناطيسية. ومع تطور تكنولوجيا أشباه الموصلات نحو دقة أعلى، سيلعب الجرانيت دورًا متزايد الأهمية في ضمان أداء معدات الاختبار ودعم تقدم صناعة أشباه الموصلات.