في مجال تصنيع أشباه الموصلات، الذي يسعى إلى تحقيق أقصى درجات الدقة، يُعد معامل التمدد الحراري أحد المعايير الأساسية التي تؤثر على جودة المنتج واستقرار الإنتاج. وطوال مراحل العملية، من الطباعة الضوئية إلى الحفر والتغليف، قد تؤثر اختلافات معاملات التمدد الحراري للمواد على دقة التصنيع بطرق مختلفة. إلا أن قاعدة الجرانيت، بمعامل تمددها الحراري المنخفض للغاية، أصبحت الحل الأمثل لهذه المشكلة.
عملية الطباعة الحجرية: التشوه الحراري يسبب انحراف النمط
تُعد الطباعة الضوئية خطوةً أساسيةً في تصنيع أشباه الموصلات. من خلال آلة الطباعة الضوئية، تُنقل أنماط الدوائر على القناع إلى سطح الرقاقة المطلية بمقاومة ضوئية. خلال هذه العملية، تُعد الإدارة الحرارية داخل آلة الطباعة الضوئية واستقرار طاولة العمل أمرًا بالغ الأهمية. لنأخذ المواد المعدنية التقليدية كمثال، حيث يبلغ معامل تمددها الحراري حوالي 12×10⁻⁶/℃. أثناء تشغيل آلة الطباعة الضوئية، ستؤدي الحرارة الناتجة عن مصدر ضوء الليزر والعدسات البصرية والمكونات الميكانيكية إلى ارتفاع درجة حرارة الجهاز بمقدار 5-10 درجات مئوية. إذا كانت طاولة عمل آلة الطباعة الضوئية تستخدم قاعدة معدنية، فقد تتسبب قاعدة بطول متر واحد في تشوه تمددي يتراوح بين 60 و120 ميكرومتر، مما يؤدي إلى تحول في الموضع النسبي بين القناع والرقاقة.
في عمليات التصنيع المتقدمة (مثل 3 نانومتر و2 نانومتر)، لا تتجاوز المسافة بين الترانزستورات بضعة نانومترات. هذا التشوه الحراري الطفيف كافٍ لإحداث خلل في محاذاة نمط الطباعة الضوئية، مما يؤدي إلى توصيلات غير طبيعية للترانزستور، وقصر في الدوائر أو فتحها، وغيرها من المشاكل، مما يؤدي مباشرةً إلى تعطل وظائف الشريحة. يبلغ معامل التمدد الحراري لقاعدة الجرانيت 0.01 ميكرومتر/درجة مئوية (أي (1-2) × 10⁻⁶/درجة مئوية)، ويبلغ التشوه تحت نفس التغير في درجة الحرارة 1/10-1/5 فقط من تشوه المعدن. يوفر هذا التشوه منصة تحمل ثابتة لآلة الطباعة الضوئية، مما يضمن النقل الدقيق لنمط الطباعة الضوئية ويحسن بشكل كبير إنتاجية تصنيع الشريحة.
الحفر والترسيب: يؤثران على دقة أبعاد الهيكل
يُعدّ الحفر والترسيب العمليتين الأساسيتين لبناء هياكل دوائر ثلاثية الأبعاد على سطح الرقاقة. أثناء عملية الحفر، يتفاعل الغاز التفاعلي كيميائيًا مع مادة سطح الرقاقة. في هذه الأثناء، تُولّد مكونات، مثل مصدر طاقة الترددات الراديوية ووحدة التحكم في تدفق الغاز داخل الجهاز، حرارةً، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الرقاقة ومكونات الجهاز. إذا لم يتطابق معامل التمدد الحراري لحامل الرقاقة أو قاعدة الجهاز مع معامل التمدد الحراري للرقاقة (يبلغ معامل التمدد الحراري لمادة السيليكون حوالي 2.6×10⁻⁶/℃)، فسيتولد إجهاد حراري عند تغير درجة الحرارة، مما قد يُسبب تشققات صغيرة أو تشوهات على سطح الرقاقة.
يؤثر هذا النوع من التشوه على عمق الحفر وعمودية الجدار الجانبي، مما يؤدي إلى انحراف أبعاد الأخاديد المحفورة والثقوب والهياكل الأخرى عن متطلبات التصميم. وبالمثل، في عملية ترسيب الأغشية الرقيقة، قد يُسبب اختلاف التمدد الحراري إجهادًا داخليًا في الأغشية الرقيقة المترسبة، مما يؤدي إلى مشاكل مثل تشققها وتقشيرها، مما يؤثر على الأداء الكهربائي وموثوقية الشريحة على المدى الطويل. إن استخدام قواعد الجرانيت ذات معامل تمدد حراري مماثل لمعامل مواد السيليكون يُمكن أن يُقلل الإجهاد الحراري بفعالية ويضمن استقرار ودقة عمليتي الحفر والترسيب.
مرحلة التعبئة والتغليف: عدم التطابق الحراري يسبب مشاكل في الموثوقية
في مرحلة تغليف أشباه الموصلات، يُعدّ توافق معاملات التمدد الحراري بين الشريحة ومادة التغليف (مثل راتنجات الإيبوكسي والسيراميك، إلخ) أمرًا بالغ الأهمية. معامل التمدد الحراري للسيليكون، المادة الأساسية للرقائق، منخفض نسبيًا، بينما يكون معامل التمدد الحراري لمعظم مواد التغليف مرتفعًا نسبيًا. عند تغير درجة حرارة الشريحة أثناء الاستخدام، يحدث إجهاد حراري بينها وبين مادة التغليف بسبب عدم توافق معاملات التمدد الحراري.
يمكن أن يؤدي هذا الإجهاد الحراري، تحت تأثير دورات درجة الحرارة المتكررة (مثل التسخين والتبريد أثناء تشغيل الشريحة)، إلى تشققات إجهادية في وصلات اللحام بين الشريحة وركيزة التغليف، أو إلى تساقط أسلاك الترابط على سطح الشريحة، مما يؤدي في النهاية إلى تعطل التوصيل الكهربائي للشريحة. باختيار مواد ركيزة تغليف ذات معامل تمدد حراري قريب من معامل مواد السيليكون، واستخدام منصات اختبار الجرانيت ذات الاستقرار الحراري الممتاز للكشف الدقيق أثناء عملية التغليف، يمكن الحد من مشكلة عدم التوافق الحراري بفعالية، وتحسين موثوقية التغليف، وإطالة عمر الشريحة.
التحكم في بيئة الإنتاج: الاستقرار المنسق للمعدات ومباني المصنع
بالإضافة إلى تأثيره المباشر على عملية التصنيع، يرتبط معامل التمدد الحراري أيضًا بالتحكم البيئي الشامل لمصانع أشباه الموصلات. في ورش إنتاج أشباه الموصلات الكبيرة، يمكن لعوامل مثل تشغيل وإيقاف أنظمة تكييف الهواء وتبديد الحرارة في مجموعات المعدات أن تُسبب تقلبات في درجة حرارة البيئة. إذا كان معامل التمدد الحراري لأرضية المصنع وقواعد المعدات والبنية التحتية الأخرى مرتفعًا جدًا، فإن التغيرات طويلة المدى في درجات الحرارة ستؤدي إلى تشقق الأرضية وتحرك أساسات المعدات، مما يؤثر على دقة المعدات الدقيقة مثل آلات الطباعة الضوئية وآلات النقش.
من خلال استخدام قواعد الجرانيت كدعامات للمعدات ودمجها مع مواد بناء المصنع ذات معاملات التمدد الحراري المنخفضة، يمكن إنشاء بيئة إنتاج مستقرة، مما يقلل من تكرار معايرة المعدات وتكاليف الصيانة الناجمة عن التشوه الحراري البيئي، ويضمن التشغيل المستقر طويل الأمد لخط إنتاج أشباه الموصلات.
يمتد معامل التمدد الحراري طوال دورة حياة تصنيع أشباه الموصلات، بدءًا من اختيار المواد، ومراقبة العملية، وصولًا إلى التعبئة والتغليف والاختبار. يجب مراعاة تأثير التمدد الحراري بدقة في كل مرحلة. تُوفر قواعد الجرانيت، بمعامل تمددها الحراري المنخفض للغاية وخصائصها الممتازة الأخرى، أساسًا فيزيائيًا متينًا لتصنيع أشباه الموصلات، وتُصبح ضمانًا مهمًا لتعزيز تطوير عمليات تصنيع الرقائق نحو دقة أعلى.
وقت النشر: ٢٠ مايو ٢٠٢٥