В области производства полупроводников, где требуется максимальная точность, коэффициент теплового расширения является одним из основных параметров, влияющих на качество продукции и стабильность производства. На протяжении всего процесса от фотолитографии, травления до упаковки различия в коэффициентах теплового расширения материалов могут влиять на точность производства различными способами. Однако гранитное основание с его сверхнизким коэффициентом теплового расширения стало ключом к решению этой проблемы.
Процесс литографии: термическая деформация приводит к отклонению рисунка
Фотолитография является основным этапом в производстве полупроводников. С помощью фотолитографической машины схемы на маске переносятся на поверхность пластины, покрытую фоторезистом. Во время этого процесса управление температурой внутри фотолитографической машины и устойчивость рабочего стола имеют жизненно важное значение. Возьмем в качестве примера традиционные металлические материалы. Их коэффициент теплового расширения составляет приблизительно 12×10⁻⁶/℃. Во время работы фотолитографической машины тепло, выделяемое источником лазерного света, оптическими линзами и механическими компонентами, приведет 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 маски и пластины.
В передовых производственных процессах (таких как 3 нм и 2 нм) расстояние между транзисторами составляет всего несколько нанометров. Такая крошечная тепловая деформация достаточна, чтобы вызвать смещение рисунка фотолитографии, что приводит к ненормальным соединениям транзисторов, коротким замыканиям или обрывам цепей и другим проблемам, напрямую приводящим к отказу функций чипа. Коэффициент теплового расширения гранитного основания составляет всего 0,01 мкм/°C (т. е. (1-2) × 10⁻⁶/℃), а деформация при том же изменении температуры составляет всего 1/10-1/5 от деформации металла. Он может обеспечить стабильную несущую платформу для фотолитографической машины, гарантируя точную передачу рисунка фотолитографии и значительно повышая выход готовой продукции при производстве чипов.
Травление и осаждение: влияют на размерную точность структуры.
Травление и осаждение являются ключевыми процессами для построения трехмерных структур схем на поверхности пластины. В процессе травления реактивный газ вступает в химическую реакцию с поверхностным материалом пластины. Между тем, такие компоненты, как источник питания ВЧ и управление потоком газа внутри оборудования, генерируют тепло, что приводит к повышению температуры пластины и компонентов оборудования. Если коэффициент теплового расширения носителя пластины или основания оборудования не соответствует коэффициенту теплового расширения пластины (коэффициент теплового расширения кремниевого материала составляет приблизительно 2,6×10⁻⁶/℃), при изменении температуры будет возникать тепловое напряжение, что может привести к появлению мелких трещин или короблению на поверхности пластины.
Этот вид деформации повлияет на глубину травления и вертикальность боковой стенки, в результате чего размеры протравленных канавок, сквозных отверстий и других структур будут отклоняться от проектных требований. Аналогично, в процессе осаждения тонкой пленки разница в тепловом расширении может вызвать внутреннее напряжение в осажденной тонкой пленке, что приведет к таким проблемам, как растрескивание и отслаивание пленки, что влияет на электрические характеристики и долгосрочную надежность чипа. Использование гранитных оснований с коэффициентом теплового расширения, аналогичным коэффициенту кремниевых материалов, может эффективно снизить термическое напряжение и обеспечить стабильность и точность процессов травления и осаждения.
Этап упаковки: несоответствие температур 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. Когда температура чипа изменяется во время использования, между чипом и упаковочным материалом возникнет тепловое напряжение из-за несоответствия коэффициентов теплового расширения.
Это тепловое напряжение под воздействием повторяющихся температурных циклов (таких как нагрев и охлаждение во время работы чипа) может привести к усталостному растрескиванию паяных соединений между чипом и подложкой упаковки или вызвать отпадение соединительных проводов на поверхности чипа, что в конечном итоге приведет к отказу электрического соединения чипа. Выбирая материалы подложки упаковки с коэффициентом теплового расширения, близким к коэффициенту кремниевых материалов, и используя гранитные испытательные платформы с превосходной термической стабильностью для точного определения в процессе упаковки, можно эффективно уменьшить проблему теплового несоответствия, повысить надежность упаковки и продлить срок службы чипа.
Контроль производственной среды: согласованная устойчивость оборудования и заводских зданий
Помимо прямого влияния на производственный процесс, коэффициент теплового расширения также связан с общим контролем окружающей среды на заводах по производству полупроводников. В крупных цехах по производству полупроводников такие факторы, как запуск и остановка систем кондиционирования воздуха и рассеивание тепла кластерами оборудования, могут вызывать колебания температуры окружающей среды. Если коэффициент теплового расширения пола завода, оснований оборудования и другой инфраструктуры слишком высок, долгосрочные изменения температуры приведут к растрескиванию пола и смещению фундамента оборудования, тем самым влияя на точность прецизионного оборудования, такого как фотолитографические машины и травильные машины.
Используя гранитные основания в качестве опор оборудования и сочетая их с заводскими строительными материалами с низкими коэффициентами теплового расширения, можно создать стабильную производственную среду, снизить частоту калибровки оборудования и затраты на техническое обслуживание, вызванные тепловой деформацией окружающей среды, а также обеспечить долгосрочную стабильную работу линии по производству полупроводников.
Коэффициент теплового расширения проходит через весь жизненный цикл производства полупроводников, от выбора материала, управления процессом до упаковки и тестирования. Влияние теплового расширения должно строго учитываться в каждом звене. Гранитные основания с их сверхнизким коэффициентом теплового расширения и другими превосходными свойствами обеспечивают стабильную физическую основу для производства полупроводников и становятся важной гарантией для продвижения развития процессов производства чипов в сторону более высокой точности.
Время публикации: 20 мая 2025 г.