В области производства полупроводников точность оборудования для контроля пластин напрямую определяет качество и выход годных кристаллов. Размерная стабильность основного материала оборудования, являющегося основой для основных компонентов детектора, играет решающую роль в обеспечении его долгосрочной эксплуатационной эффективности. Гранит и чугун – два наиболее распространенных материала для оборудования для контроля пластин. Десятилетнее сравнительное исследование выявило существенные различия между ними в плане размерной стабильности, что предоставило важные рекомендации при выборе оборудования.
Экспериментальная основа и дизайн
Процесс производства полупроводниковых пластин предъявляет чрезвычайно высокие требования к точности измерения. Даже отклонение размеров на уровне микрометра может привести к снижению производительности кристалла или даже к его браку. Для исследования размерной стабильности гранита и чугуна при длительном использовании исследовательская группа разработала эксперименты, имитирующие реальные рабочие условия. Образцы гранита и чугуна одинаковой спецификации были отобраны и помещены в климатическую камеру с температурой от 15 до 35 °C и относительной влажностью от 30 до 70%. Механическая вибрация во время работы оборудования имитировалась с помощью вибростенда. Основные размеры образцов измерялись ежеквартально с помощью высокоточного лазерного интерферометра, а данные непрерывно записывались в течение 10 лет.
Экспериментальный результат: абсолютное преимущество гранита
Десятилетние экспериментальные данные показывают, что гранитная подложка обладает поразительной стабильностью. Её коэффициент теплового расширения чрезвычайно низок, в среднем всего 4,6×10⁻⁶/℃. При резких перепадах температуры отклонение размеров всегда контролируется в пределах ±0,001 мм. Плотная структура гранита практически не подвержена изменениям влажности, и заметных изменений размеров не происходит. В условиях механических вибраций превосходные демпфирующие свойства гранита эффективно поглощают энергию вибрации, и колебания размеров крайне малы.
Напротив, средний коэффициент теплового расширения чугунной подложки достигает 11×10⁻⁶/℃–13×10⁻⁶/℃, а максимальное отклонение размеров, вызванное изменением температуры в течение 10 лет, составляет ±0,05 мм. Во влажной среде чугун подвержен ржавлению и коррозии. Некоторые образцы демонстрируют локальную деформацию, что ещё больше увеличивает отклонение размеров. Под воздействием механической вибрации чугун плохо гасит вибрации, и его размеры часто колеблются, что затрудняет выполнение требований высокой точности контроля пластин.
Основная причина разницы в стабильности
Гранит формировался в течение сотен миллионов лет в ходе геологических процессов. Его внутренняя структура плотная и однородная, а кристаллы минералов расположены стабильно, что естественным образом исключает внутренние напряжения. Это делает его крайне нечувствительным к изменениям внешних факторов, таких как температура, влажность и вибрация. Чугун изготавливается методом литья и имеет микроскопические дефекты, такие как поры и песчаные раковины. Между тем, остаточные напряжения, возникающие в процессе литья, могут привести к изменению размеров под воздействием внешней среды. Металлические свойства чугуна делают его склонным к ржавлению из-за влажности, что ускоряет структурные повреждения и снижает размерную стабильность.
Влияние на оборудование для контроля пластин
Оборудование для контроля пластин на основе гранитной подложки, обладая стабильными размерными характеристиками, обеспечивает высокую точность системы контроля в течение длительного времени, снижает количество ошибок и пропусков обнаружения, вызванных дрейфом точности оборудования, и значительно повышает выход готовой продукции. Кроме того, низкие требования к техническому обслуживанию снижают стоимость полного жизненного цикла оборудования. Оборудование с чугунными подложками из-за низкой размерной стабильности требует частой калибровки и обслуживания. Это не только увеличивает эксплуатационные расходы, но и может негативно сказаться на качестве производства полупроводников из-за недостаточной точности, что может привести к потенциальным экономическим потерям.
В условиях стремления полупроводниковой промышленности к более высокой точности и лучшему качеству выбор гранита в качестве основного материала для оборудования контроля пластин, несомненно, является мудрым шагом для обеспечения производительности оборудования и повышения конкурентоспособности предприятий.
Время публикации: 14 мая 2025 г.