В области производства полупроводников точность оборудования для контроля качества пластин напрямую определяет качество и выход годных чипов. Поскольку материал основания оборудования является основой для основных компонентов системы контроля, стабильность размеров играет решающую роль в долгосрочной эксплуатации оборудования. Гранит и чугун — два наиболее распространенных материала для оборудования контроля качества пластин. Десятилетнее сравнительное исследование выявило существенные различия между ними с точки зрения стабильности размеров, что является важным ориентиром для выбора оборудования.
Экспериментальные предпосылки и дизайн
Производственный процесс полупроводниковых пластин предъявляет чрезвычайно высокие требования к точности измерений. Даже отклонение размеров на микрометровом уровне может привести к снижению производительности чипа или даже к его браку. Для изучения размерной стабильности гранита и чугуна при длительной эксплуатации исследовательская группа разработала эксперименты, имитирующие реальные условия работы. Были отобраны образцы гранита и чугуна одинаковых характеристик, которые поместили в климатическую камеру, где температура колебалась от 15℃ до 35℃, а влажность — от 30% до 70% относительной влажности. Механическая вибрация во время работы оборудования имитировалась с помощью вибростенда. Ключевые размеры образцов измерялись ежеквартально с использованием высокоточного лазерного интерферометра, и данные непрерывно записывались в течение 10 лет.
Результаты эксперимента: неоспоримое преимущество гранита.
Десятилетние экспериментальные данные показывают, что гранитная основа обладает удивительной стабильностью. Ее коэффициент теплового расширения чрезвычайно низок, в среднем составляя всего 4,6×10⁻⁶/℃. При резких изменениях температуры отклонение размеров всегда контролируется в пределах ±0,001 мм. При изменении влажности плотная структура гранита практически не подвержена изменениям, и не происходит никаких измеримых изменений размеров. В условиях механической вибрации превосходные демпфирующие характеристики гранита эффективно поглощают энергию вибрации, и колебания размеров крайне малы.
В отличие от этого, средний коэффициент теплового расширения чугунной подложки достигает 11×10⁻⁶/℃ - 13×10⁻⁶/℃, а максимальное отклонение размеров, вызванное изменениями температуры в течение 10 лет, составляет ±0,05 мм. Во влажной среде чугун склонен к ржавчине и коррозии. Некоторые образцы демонстрируют локальную деформацию, и отклонение размеров еще больше увеличивается. Под действием механической вибрации чугун обладает плохими виброгасящими свойствами, и его размеры часто колеблются, что затрудняет выполнение высокоточных требований к контролю качества пластин.
Основная причина различий в стабильности
Гранит формировался на протяжении сотен миллионов лет в результате геологических процессов. Его внутренняя структура плотная и однородная, а минеральные кристаллы расположены стабильно, что естественным образом устраняет внутренние напряжения. Это делает его чрезвычайно нечувствительным к изменениям внешних факторов, таких как температура, влажность и вибрация. Чугун изготавливается методом литья и имеет микроскопические дефекты, такие как поры и песчаные отверстия. При этом остаточные напряжения, возникающие в процессе литья, склонны вызывать изменения размеров под воздействием внешней среды. Металлические свойства чугуна делают его склонным к ржавению из-за влажности, ускоряя разрушение конструкции и снижая стабильность размеров.
Влияние на оборудование для контроля качества кремниевых пластин.
Оборудование для контроля качества полупроводниковых пластин на основе гранитной подложки, благодаря стабильным размерным характеристикам, обеспечивает высокую точность системы контроля в течение длительного времени, снижает количество ошибок и пропусков обнаружения, вызванных дрейфом точности оборудования, и значительно повышает выход годной продукции. При этом низкие требования к техническому обслуживанию снижают общую стоимость жизненного цикла оборудования. Оборудование на основе чугунных подложек, из-за низкой размерной стабильности, требует частой калибровки и технического обслуживания. Это не только увеличивает эксплуатационные расходы, но и может повлиять на качество полупроводникового производства из-за недостаточной точности, что может привести к потенциальным экономическим потерям.
В условиях стремления полупроводниковой промышленности к повышению точности и качества, выбор гранита в качестве основного материала для оборудования для контроля качества полупроводниковых пластин, несомненно, является разумным шагом, обеспечивающим производительность оборудования и повышающим конкурентоспособность предприятий.
Дата публикации: 14 мая 2025 г.