No campo da fabricación de semicondutores, que busca a máxima precisión, o coeficiente de expansión térmica é un dos parámetros principais que afectan á calidade do produto e á estabilidade da produción. Ao longo de todo o proceso, desde a fotolitografía e o gravado ata o empaquetado, as diferenzas nos coeficientes de expansión térmica dos materiais poden interferir coa precisión da fabricación de varias maneiras. Non obstante, a base de granito, co seu coeficiente de expansión térmica ultrabaixo, converteuse na clave para resolver este problema.
Proceso de litografía: a deformación térmica provoca a desviación do patrón
A fotolitografía é un paso fundamental na fabricación de semicondutores. Mediante unha máquina de fotolitografía, os patróns de circuítos da máscara transfírense á superficie da oblea recuberta con fotorresina. Durante este proceso, a xestión térmica dentro da máquina de fotolitografía e a estabilidade da mesa de traballo son de vital importancia. Tomemos como exemplo os materiais metálicos tradicionais. O seu coeficiente de expansión térmica é de aproximadamente 12×10⁻⁶/℃. Durante o funcionamento da máquina de fotolitografía, a calor xerada pola fonte de luz láser, as lentes ópticas e os compoñentes mecánicos fará que a temperatura do equipo aumente entre 5 e 10 ℃. Se a mesa de traballo da máquina de litografía usa unha base metálica, unha base de 1 metro de longo pode causar unha deformación por expansión de 60 a 120 μm, o que provocará un desprazamento na posición relativa entre a máscara e a oblea.
Nos procesos de fabricación avanzados (como os de 3 nm e 2 nm), o espazado entre os transistores é de só uns poucos nanómetros. Unha deformación térmica tan pequena é suficiente para provocar un desalineamento do patrón de fotolitografía, o que leva a conexións anormais dos transistores, curtocircuítos ou circuítos abertos e outros problemas, o que resulta directamente no fallo das funcións do chip. O coeficiente de expansión térmica da base de granito é tan baixo como 0,01 μm/°C (é dicir, (1-2) ×10⁻⁶/℃), e a deformación baixo o mesmo cambio de temperatura é só de 1/10-1/5 da do metal. Pode proporcionar unha plataforma de soporte de carga estable para a máquina de fotolitografía, garantindo a transferencia precisa do patrón de fotolitografía e mellorando significativamente o rendemento da fabricación de chips.
Gravado e deposición: afectan á precisión dimensional da estrutura
O gravado e a deposición son os procesos clave para construír estruturas de circuítos tridimensionais na superficie da oblea. Durante o proceso de gravado, o gas reactivo sofre unha reacción química co material da superficie da oblea. Mentres tanto, compoñentes como a fonte de alimentación de RF e o control do fluxo de gas dentro do equipo xeran calor, o que fai que a temperatura da oblea e dos compoñentes do equipo aumente. Se o coeficiente de expansión térmica do portador da oblea ou da base do equipo non coincide co da oblea (o coeficiente de expansión térmica do material de silicio é de aproximadamente 2,6 × 10⁻⁶/℃), xerarase tensión térmica cando cambie a temperatura, o que pode causar pequenas gretas ou deformacións na superficie da oblea.
Este tipo de deformación afectará á profundidade de gravado e á verticalidade da parede lateral, facendo que as dimensións das ranuras gravadas, os orificios pasantes e outras estruturas se desvíen dos requisitos de deseño. Do mesmo xeito, no proceso de deposición de película fina, a diferenza na expansión térmica pode causar tensión interna na película fina depositada, o que leva a problemas como o rachado e o desprendimento da película, o que afecta o rendemento eléctrico e a fiabilidade a longo prazo do chip. O uso de bases de granito cun coeficiente de expansión térmica similar ao dos materiais de silicio pode reducir eficazmente a tensión térmica e garantir a estabilidade e a precisión dos procesos de gravado e deposición.
Fase de empaquetado: a discrepancia térmica causa problemas de fiabilidade
Na etapa de empaquetado de semicondutores, a compatibilidade dos coeficientes de expansión térmica entre o chip e o material de empaquetado (como resina epoxi, cerámica, etc.) é de vital importancia. O coeficiente de expansión térmica do silicio, o material central dos chips, é relativamente baixo, mentres que o da maioría dos materiais de empaquetado é relativamente alto. Cando a temperatura do chip cambia durante o uso, producirase unha tensión térmica entre o chip e o material de empaquetado debido á discrepancia dos coeficientes de expansión térmica.
Esta tensión térmica, baixo o efecto de ciclos de temperatura repetidos (como o quecemento e o arrefriamento durante o funcionamento do chip), pode provocar rachaduras por fatiga nas unións de soldadura entre o chip e o substrato de empaquetado, ou provocar que os fíos de unión na superficie do chip se desprendan, o que finalmente provoca unha falla na conexión eléctrica do chip. Ao elixir materiais de substrato de empaquetado cun coeficiente de expansión térmica próximo ao dos materiais de silicio e usar plataformas de proba de granito con excelente estabilidade térmica para unha detección precisa durante o proceso de empaquetado, pódese reducir eficazmente o problema da desaxuste térmico, mellorar a fiabilidade do empaquetado e prolongar a vida útil do chip.
Control do ambiente de produción: a estabilidade coordinada dos equipos e os edificios da fábrica
Ademais de afectar directamente o proceso de fabricación, o coeficiente de expansión térmica tamén está relacionado co control ambiental xeral das fábricas de semicondutores. Nos grandes talleres de produción de semicondutores, factores como o arranque e a parada dos sistemas de aire acondicionado e a disipación da calor dos grupos de equipos poden causar flutuacións na temperatura ambiental. Se o coeficiente de expansión térmica do chan da fábrica, as bases dos equipos e outras infraestruturas é demasiado alto, os cambios de temperatura a longo prazo farán que o chan se rache e que a base do equipo se mova, o que afectará á precisión dos equipos de precisión, como as máquinas de fotolitografía e as máquinas de gravado.
Ao usar bases de granito como soportes para equipos e combinalas con materiais de construción de fábricas con baixos coeficientes de expansión térmica, pódese crear un ambiente de produción estable, reducindo a frecuencia de calibración de equipos e os custos de mantemento causados pola deformación térmica ambiental e garantindo o funcionamento estable a longo prazo da liña de produción de semicondutores.
O coeficiente de expansión térmica percorre todo o ciclo de vida da fabricación de semicondutores, desde a selección de materiais e o control do proceso ata o empaquetado e as probas. O impacto da expansión térmica debe considerarse estritamente en cada eslabón. As bases de granito, co seu coeficiente de expansión térmica ultrabaixo e outras excelentes propiedades, proporcionan unha base física estable para a fabricación de semicondutores e convértense nunha garantía importante para promover o desenvolvemento de procesos de fabricación de chips cara a unha maior precisión.
Data de publicación: 20 de maio de 2025