В области производства полупроводников, где требуется 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 корпусирования, различия в коэффициентах теплового расширения материалов могут по-разному влиять на точность изготовления. Однако гранитное основание с его сверхнизким коэффициентом теплового расширения стало ключом к решению этой проблемы.
Процесс литографии: термическая деформация приводит к отклонению рисунка
Фотолитография — ключевой этап в производстве полупроводников. С помощью фотолитографического аппарата схемы с маски переносятся на поверхность пластины, покрытую фоторезистом. В ходе этого процесса критически важны терморегулирование внутри фотолитографического аппарата и стабильность рабочего стола. Возьмём в качестве примера традиционные металлические материалы. Их коэффициент теплового расширения составляет приблизительно 12×10⁻⁶/℃. Во время работы фотолитографического аппарата тепло, выделяемое источником лазерного излучения, оптическими линзами и механическими компонентами, приводит к повышению температуры оборудования на 5–10 ℃. Если рабочий стол литографического аппарата имеет металлическое основание, основание длиной 1 м может вызвать деформацию расширения на 60–120 мкм, что приведёт к смещению относительно маски и пластины.
В современных производственных процессах (таких как 3 нм и 2 нм) расстояние между транзисторами составляет всего несколько нанометров. Столь незначительной тепловой деформации достаточно, чтобы вызвать смещение фотолитографического шаблона, что приводит к некорректному соединению транзисторов, коротким замыканиям или обрывам цепей, а также другим проблемам, непосредственно приводящим к отказу 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. Это может обеспечить стабильную несущую платформу для фотолитографического станка, обеспечивая точный перенос фотолитографического шаблона и значительно повышая выход годных чипов.
Травление и осаждение: влияют на размерную точность структуры.
Травление и осаждение являются ключевыми процессами для создания трёхмерных структур схем на поверхности пластины. В процессе травления реактивный газ вступает в химическую реакцию с поверхностным материалом пластины. При этом такие компоненты, как источник питания ВЧ-излучения и система управления потоком газа внутри оборудования, выделяют 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 будут возникать термические напряжения, что может привести к появлению микротрещин или короблению поверхности пластины.
Подобная деформация влияет на глубину травления и вертикальность боковой стенки, что приводит к отклонению размеров протравленных канавок, сквозных отверстий и других структур от проектных требований. Аналогично, в процессе осаждения тонких пленок разница в тепловом расширении может привести к возникновению внутренних напряжений в осажденной тонкой пленке, что приводит к таким проблемам, как растрескивание и отслоение пленки, что влияет на электрические характеристики и долгосрочную надежность чипа. Использование гранитных оснований с коэффициентом теплового расширения, близким к кремниевым материалам, позволяет эффективно снизить термические напряжения и обеспечить стабильность и точность процессов травления и осаждения.
Этап упаковки: несоответствие температур приводит к проблемам с надежностью
На этапе корпусирования полупроводниковых приборов совместимость коэффициентов теплового расширения кристалла и материала корпуса (например, эпоксидной смолы, керамики и т. д.) имеет решающее значение. Коэффициент теплового расширения кремния, основного материала кристаллов, относительно низок, в то время как коэффициент теплового расширения большинства материалов корпуса относительно высок. При изменении температуры кристалла во время эксплуатации между кристаллом и материалом корпуса возникают термические напряжения из-за несоответствия коэффициентов теплового расширения.
Это тепловое напряжение, возникающее под воздействием повторяющихся температурных циклов (например, нагревания и охлаждения во время работы микросхемы), может привести к усталостному растрескиванию паяных соединений между микросхемой и подложкой корпуса или к отслоению соединительных проводников на поверхности микросхемы, что в конечном итоге приведет к нарушению электрического соединения микросхемы. Выбор материалов для подложки корпуса с коэффициентом теплового расширения, близким к коэффициенту кремния, и использование гранитных испытательных платформ с превосходной термостабильностью для точного определения в процессе корпуса позволяет эффективно снизить проблему теплового рассогласования, повысить надежность корпуса и продлить срок службы микросхемы.
Управление производственной средой: согласованная устойчивость оборудования и заводских зданий
Помимо непосредственного влияния на производственный процесс, коэффициент теплового расширения также связан с общим контролем микроклимата на заводах по производству полупроводников. В крупных цехах по производству полупроводников такие факторы, как включение и выключение систем кондиционирования воздуха и тепловыделение от групп оборудования, могут вызывать колебания температуры окружающей среды. Если коэффициент теплового расширения производственного пола, основания оборудования и других элементов инфраструктуры слишком высок, длительные перепады температур приведут к растрескиванию пола и смещению фундамента оборудования, что скажется на точности работы прецизионного оборудования, такого как фотолитографические и травильные машины.
Используя гранитные основания в качестве опор для 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 термической деформацией окружающей среды, а также обеспечить долгосрочную стабильную работу линии по производству полупроводников.
Коэффициент теплового расширения играет важную роль на протяжении всего жизненного цикла производства полупроводников, от выбора материала и контроля процесса до упаковки и тестирования. Влияние теплового расширения необходимо строго учитывать на каждом этапе. Гранитные основания, обладающие сверхнизким коэффициентом теплового расширения и другими превосходными свойствами, обеспечивают стабильную физическую основу для производства полупроводников и становятся важным фактором, способствующим развитию технологий производства микросхем в сторону более высокой точности.
Время публикации: 20 мая 2025 г.