În domeniul fabricării semiconductorilor, care urmărește precizia maximă, coeficientul de dilatare termică este unul dintre parametrii principali care afectează calitatea produsului și stabilitatea producției. De-a lungul întregului proces, de la fotolitografie, gravare până la ambalare, diferențele în coeficienții de dilatare termică ai materialelor pot interfera cu precizia fabricației în diverse moduri. Cu toate acestea, baza de granit, cu coeficientul său de dilatare termică ultra-scăzut, a devenit cheia rezolvării acestei probleme.
Procesul de litografie: Deformarea termică provoacă abaterea modelului
Fotolitografia este o etapă esențială în fabricarea semiconductorilor. Prin intermediul unui aparat de fotolitografie, modelele circuitelor de pe mască sunt transferate pe suprafața plachetei acoperite cu fotorezist. În timpul acestui proces, managementul termic din interiorul aparatului de fotolitografie și stabilitatea mesei de lucru sunt de o importanță vitală. Luați ca exemplu materialele metalice tradiționale. Coeficientul lor de dilatare termică este de aproximativ 12×10⁻⁶/℃. În timpul funcționării aparatului de fotolitografie, căldura generată de sursa de lumină laser, lentilele optice și componentele mecanice va determina creșterea temperaturii echipamentului cu 5-10 ℃. Dacă masa de lucru a aparatului de litografie utilizează o bază metalică, o bază lungă de 1 metru poate provoca o deformare prin dilatare de 60-120 μm, ceea ce va duce la o deplasare a poziției relative dintre mască și plachetă.
În procesele avansate de fabricație (cum ar fi cele de 3nm și 2nm), distanța dintre tranzistoare este de doar câțiva nanometri. O astfel de deformare termică minusculă este suficientă pentru a cauza alinierea greșită a modelului fotolitografic, ducând la conexiuni anormale ale tranzistoarelor, scurtcircuite sau circuite deschise și alte probleme, rezultând direct în defectarea funcțiilor cipului. Coeficientul de dilatare termică al bazei de granit este de doar 0,01 μm/°C (adică (1-2) ×10⁻⁶/℃), iar deformarea la aceeași schimbare de temperatură este de doar 1/10-1/5 din cea a metalului. Aceasta poate oferi o platformă portantă stabilă pentru mașina de fotolitografie, asigurând transferul precis al modelului fotolitografic și îmbunătățind semnificativ randamentul fabricării cipurilor.
Gravare și depunere: Afectează precizia dimensională a structurii
Gravarea și depunerea sunt procesele cheie pentru construirea structurilor de circuite tridimensionale pe suprafața plachetei. În timpul procesului de gravare, gazul reactiv suferă o reacție chimică cu materialul de suprafață al plachetei. Între timp, componente precum sursa de alimentare RF și controlul fluxului de gaz din interiorul echipamentului generează căldură, determinând creșterea temperaturii plachetei și a componentelor echipamentului. Dacă coeficientul de dilatare termică al suportului plachetei sau al bazei echipamentului nu corespunde cu cel al plachetei (coeficientul de dilatare termică al materialului de siliciu este de aproximativ 2,6×10⁻⁶/℃), se va genera stres termic la schimbarea temperaturii, ceea ce poate provoca fisuri minuscule sau deformări pe suprafața plachetei.
Acest tip de deformare va afecta adâncimea de gravare și verticalitatea peretelui lateral, determinând abaterea dimensiunilor canelurilor gravate, a găurilor străpunse și a altor structuri de la cerințele de proiectare. În mod similar, în procesul de depunere a peliculei subțiri, diferența de dilatare termică poate provoca solicitări interne în pelicula subțire depusă, ducând la probleme precum crăparea și decojirea peliculei, ceea ce afectează performanța electrică și fiabilitatea pe termen lung a cipului. Utilizarea bazelor de granit cu un coeficient de dilatare termică similar cu cel al materialelor din siliciu poate reduce eficient stresul termic și poate asigura stabilitatea și precizia proceselor de gravare și depunere.
Etapa de ambalare: Nepotrivirea termică cauzează probleme de fiabilitate
În etapa de ambalare a semiconductorilor, compatibilitatea coeficienților de dilatare termică dintre cip și materialul de ambalare (cum ar fi rășina epoxidică, ceramica etc.) este de o importanță vitală. Coeficientul de dilatare termică al siliciului, materialul central al cipurilor, este relativ scăzut, în timp ce cel al majorității materialelor de ambalare este relativ ridicat. Atunci când temperatura cipului se modifică în timpul utilizării, va apărea stres termic între cip și materialul de ambalare din cauza nepotrivirii coeficienților de dilatare termică.
Această solicitare termică, sub efectul ciclurilor repetate de temperatură (cum ar fi încălzirea și răcirea în timpul funcționării cipului), poate duce la fisurarea prin oboseală a îmbinărilor de lipire dintre cip și substratul de ambalare sau poate provoca desprinderea firelor de legătură de pe suprafața cipului, rezultând în cele din urmă defectarea conexiunii electrice a cipului. Prin alegerea materialelor pentru substratul de ambalare cu un coeficient de dilatare termică apropiat de cel al materialelor din siliciu și utilizarea platformelor de testare din granit cu o stabilitate termică excelentă pentru detectarea precisă în timpul procesului de ambalare, problema nepotrivirii termice poate fi redusă eficient, fiabilitatea ambalării poate fi îmbunătățită și durata de viață a cipului poate fi prelungită.
Controlul mediului de producție: Stabilitatea coordonată a echipamentelor și a clădirilor fabricii
Pe lângă faptul că afectează direct procesul de fabricație, coeficientul de dilatare termică este legat și de controlul general al mediului din fabricile de semiconductori. În atelierele mari de producție de semiconductori, factori precum pornirea și oprirea sistemelor de aer condiționat și disiparea căldurii de către grupurile de echipamente pot provoca fluctuații ale temperaturii mediului. Dacă coeficientul de dilatare termică al podelei fabricii, al bazelor echipamentelor și al altor infrastructuri este prea mare, schimbările de temperatură pe termen lung vor provoca fisurarea podelei și deplasarea fundației echipamentului, afectând astfel precizia echipamentelor de precizie, cum ar fi mașinile de fotolitografie și mașinile de gravare.
Prin utilizarea bazelor de granit ca suporturi pentru echipamente și combinarea acestora cu materiale de construcție pentru fabrici cu coeficienți de dilatare termică reduși, se poate crea un mediu de producție stabil, reducând frecvența calibrării echipamentelor și costurile de întreținere cauzate de deformarea termică a mediului și asigurând funcționarea stabilă pe termen lung a liniei de producție a semiconductorilor.
Coeficientul de dilatare termică se regăsește pe întregul ciclu de viață al fabricării semiconductorilor, de la selecția materialelor și controlul procesului până la ambalare și testare. Impactul dilatării termice trebuie luat în considerare cu strictețe în fiecare etapă. Bazele de granit, cu coeficientul lor ultra-scăzut de dilatare termică și alte proprietăți excelente, oferă o bază fizică stabilă pentru fabricarea semiconductorilor și devin o garanție importantă pentru promovarea dezvoltării proceselor de fabricație a cipurilor către o precizie mai mare.
Data publicării: 20 mai 2025