В области производства полупроводников, где важна высочайшая точность, коэффициент теплового расширения является одним из ключевых параметров, влияющих на качество продукции и стабильность производства. На протяжении всего процесса, от фотолитографии и травления до упаковки, различия в коэффициентах теплового расширения материалов могут по-разному влиять на точность производства. Однако гранитная основа с ее сверхнизким коэффициентом теплового расширения стала ключом к решению этой проблемы.
Литографический процесс: термическая деформация вызывает отклонение рисунка.
Фотолитография — ключевой этап в производстве полупроводников. С помощью фотолитографической машины схемы с маски переносятся на поверхность подложки, покрытую фоторезистом. В ходе этого процесса крайне важны теплоотвод внутри фотолитографической машины и стабильность рабочего стола. В качестве примера можно привести традиционные металлические материалы. Их коэффициент теплового расширения составляет приблизительно 12×10⁻⁶/℃. Во время работы фотолитографической машины тепло, выделяемое лазерным источником света, оптическими линзами и механическими компонентами, приводит к повышению температуры оборудования на 5-10 ℃. Если рабочий стол литографической машины использует металлическое основание, основание длиной 1 метр может вызвать деформацию расширения на 60-120 мкм, что приведет к смещению относительного положения между маской и подложкой.
В передовых производственных процессах (таких как 3 нм и 2 нм) расстояние между транзисторами составляет всего несколько нанометров. Такой крошечной тепловой деформации достаточно, чтобы вызвать смещение фотолитографического рисунка, что приводит к ненормальным соединениям транзисторов, коротким замыканиям или обрывам цепи и другим проблемам, непосредственно приводящим к отказу функций чипа. Коэффициент теплового расширения гранитной основы составляет всего 0,01 мкм/°C (т.е. (1-2) ×10⁻⁶/°C), а деформация при том же изменении температуры составляет лишь 1/10-1/5 от деформации металла. Это обеспечивает стабильную несущую платформу для фотолитографической машины, гарантируя точную передачу фотолитографического рисунка и значительно повышая выход годных изделий при производстве чипов.
Травление и нанесение покрытия: влияют на точность размеров конструкции.
Травление и осаждение являются ключевыми процессами для построения трехмерных схемных структур на поверхности кремниевой пластины. В процессе травления реактивный газ вступает в химическую реакцию с поверхностным материалом пластины. Одновременно с этим, такие компоненты, как источник ВЧ-питания и система управления потоком газа внутри оборудования, выделяют тепло, вызывая повышение температуры пластины и компонентов оборудования. Если коэффициент теплового расширения подложки пластины или основания оборудования не соответствует коэффициенту теплового расширения самой пластины (коэффициент теплового расширения кремниевого материала составляет приблизительно 2,6×10⁻⁶/℃), при изменении температуры возникает термическое напряжение, которое может привести к образованию микротрещин или деформации поверхности пластины.
Такая деформация повлияет на глубину травления и вертикальность боковой стенки, что приведет к отклонению размеров протравленных канавок, сквозных отверстий и других структур от проектных требований. Аналогично, в процессе осаждения тонких пленок разница в коэффициенте теплового расширения может вызвать внутреннее напряжение в осажденной тонкой пленке, что приводит к таким проблемам, как растрескивание и отслаивание пленки, что влияет на электрические характеристики и долговременную надежность чипа. Использование гранитных оснований с коэффициентом теплового расширения, аналогичным коэффициенту теплового расширения кремниевых материалов, может эффективно снизить тепловое напряжение и обеспечить стабильность и точность процессов травления и осаждения.
Этап упаковки: Несоответствие температурных параметров приводит к проблемам с надежностью.
На этапе упаковки полупроводников совместимость коэффициентов теплового расширения между чипом и упаковочным материалом (таким как эпоксидная смола, керамика и т. д.) имеет жизненно важное значение. Коэффициент теплового расширения кремния, основного материала чипов, относительно низок, в то время как у большинства упаковочных материалов он относительно высок. При изменении температуры чипа во время работы из-за несоответствия коэффициентов теплового расширения между чипом и упаковочным материалом возникают тепловые напряжения.
Это термическое напряжение, возникающее под воздействием многократных температурных циклов (например, нагрева и охлаждения во время работы микросхемы), может привести к усталостному растрескиванию паяных соединений между микросхемой и подложкой корпуса или к отрыву соединительных проводов на поверхности микросхемы, что в конечном итоге приводит к нарушению электрического соединения микросхемы. Выбор материалов подложки корпуса с коэффициентом теплового расширения, близким к коэффициенту теплового расширения кремниевых материалов, и использование гранитных испытательных платформ с превосходной термической стабильностью для точного контроля в процессе упаковки позволяет эффективно уменьшить проблему теплового несоответствия, повысить надежность упаковки и продлить срок службы микросхемы.
Контроль производственной среды: скоординированная стабильность оборудования и заводских зданий.
Помимо непосредственного влияния на производственный процесс, коэффициент теплового расширения также связан с общим контролем микроклимата на полупроводниковых заводах. В крупных цехах по производству полупроводников такие факторы, как включение и выключение систем кондиционирования воздуха и теплоотвод от оборудования, могут вызывать колебания температуры окружающей среды. Если коэффициент теплового расширения пола, оснований оборудования и другой инфраструктуры завода слишком высок, длительные изменения температуры приведут к растрескиванию пола и смещению фундаментов оборудования, что повлияет на точность работы прецизионного оборудования, такого как фотолитографические и травильные станки.
Использование гранитных оснований в качестве опор для оборудования и их сочетание с заводскими строительными материалами с низким коэффициентом теплового расширения позволяет создать стабильную производственную среду, снизить частоту калибровки оборудования и затраты на техническое обслуживание, вызванные термической деформацией окружающей среды, а также обеспечить долговременную стабильную работу линии по производству полупроводников.
Коэффициент теплового расширения играет важную роль на протяжении всего жизненного цикла производства полупроводников, от выбора материалов и управления процессом до упаковки и тестирования. Влияние теплового расширения необходимо строго учитывать на каждом этапе. Гранитные основания, благодаря своему сверхнизкому коэффициенту теплового расширения и другим превосходным свойствам, обеспечивают стабильную физическую основу для производства полупроводников и становятся важной гарантией для развития процессов производства микросхем в направлении повышения точности.
Дата публикации: 20 мая 2025 г.