En el camp de la fabricació de semiconductors, que persegueix la màxima precisió, el coeficient d'expansió tèrmica és un dels paràmetres principals que afecten la qualitat del producte i l'estabilitat de la producció. Al llarg de tot el procés, des de la fotolitografia i el gravat fins a l'envasament, les diferències en els coeficients d'expansió tèrmica dels materials poden interferir amb la precisió de la fabricació de diverses maneres. Tanmateix, la base de granit, amb el seu coeficient d'expansió tèrmica ultrabaix, s'ha convertit en la clau per resoldre aquest problema.
Procés de litografia: la deformació tèrmica provoca la desviació del patró
La fotolitografia és un pas fonamental en la fabricació de semiconductors. Mitjançant una màquina de fotolitografia, els patrons de circuit de la màscara es transfereixen a la superfície de l'oblia recoberta amb fotoresist. Durant aquest procés, la gestió tèrmica dins de la màquina de fotolitografia i l'estabilitat de la taula de treball són de vital importància. Prenguem com a exemple els materials metàl·lics tradicionals. El seu coeficient d'expansió tèrmica és d'aproximadament 12×10⁻⁶/℃. Durant el funcionament de la màquina de fotolitografia, la calor generada per la font de llum làser, les lents òptiques i els components mecànics farà que la temperatura de l'equip augmenti entre 5 i 10 ℃. Si la taula de treball de la màquina de litografia utilitza una base metàl·lica, una base d'1 metre de llarg pot causar una deformació per expansió de 60-120 μm, cosa que provocarà un desplaçament de la posició relativa entre la màscara i l'oblia.
En processos de fabricació avançats (com ara 3 nm i 2 nm), l'espai entre transistors és de només uns pocs nanòmetres. Aquesta petita deformació tèrmica és suficient per causar una desalineació del patró de fotolitografia, cosa que provoca connexions anormals del transistor, curtcircuits o circuits oberts i altres problemes, cosa que provoca directament la fallada de les funcions del xip. El coeficient d'expansió tèrmica de la base de granit és tan baix com 0,01 μm/°C (és a dir, (1-2) ×10⁻⁶/℃), i la deformació sota el mateix canvi de temperatura és només 1/10-1/5 de la del metall. Pot proporcionar una plataforma de càrrega estable per a la màquina de fotolitografia, garantint la transferència precisa del patró de fotolitografia i millorant significativament el rendiment de la fabricació de xips.
Gravat i deposició: afecten la precisió dimensional de l'estructura
El gravat i la deposició són els processos clau per construir estructures de circuits tridimensionals a la superfície de l'oblia. Durant el procés de gravat, el gas reactiu experimenta una reacció química amb el material de la superfície de l'oblia. Mentrestant, components com la font d'alimentació de radiofreqüència i el control del flux de gas dins de l'equip generen calor, cosa que fa que la temperatura de l'oblia i dels components de l'equip augmenti. Si el coeficient d'expansió tèrmica del portador de l'oblia o de la base de l'equip no coincideix amb el de l'oblia (el coeficient d'expansió tèrmica del material de silici és d'aproximadament 2,6 × 10⁻⁶/℃), es generarà estrès tèrmic quan la temperatura canviï, cosa que pot causar petites esquerdes o deformacions a la superfície de l'oblia.
Aquest tipus de deformació afectarà la profunditat de gravat i la verticalitat de la paret lateral, fent que les dimensions de les ranures gravades, els forats passants i altres estructures es desviïn dels requisits de disseny. De la mateixa manera, en el procés de deposició de pel·lícula fina, la diferència en l'expansió tèrmica pot causar tensions internes a la pel·lícula fina dipositada, donant lloc a problemes com ara esquerdes i pelat de la pel·lícula, cosa que afecta el rendiment elèctric i la fiabilitat a llarg termini del xip. L'ús de bases de granit amb un coeficient d'expansió tèrmica similar al dels materials de silici pot reduir eficaçment la tensió tèrmica i garantir l'estabilitat i la precisió dels processos de gravat i deposició.
Fase d'empaquetament: El desajust tèrmic causa problemes de fiabilitat
En l'etapa d'envasament de semiconductors, la compatibilitat dels coeficients d'expansió tèrmica entre el xip i el material d'envasament (com ara resina epoxi, ceràmica, etc.) és de vital importància. El coeficient d'expansió tèrmica del silici, el material central dels xips, és relativament baix, mentre que el de la majoria de materials d'envasament és relativament alt. Quan la temperatura del xip canvia durant l'ús, es produirà una tensió tèrmica entre el xip i el material d'envasament a causa de la discrepància dels coeficients d'expansió tèrmica.
Aquesta tensió tèrmica, sota l'efecte de cicles de temperatura repetits (com ara l'escalfament i el refredament durant el funcionament del xip), pot provocar esquerdes per fatiga a les unions de soldadura entre el xip i el substrat d'envasament, o fer que els cables d'unió a la superfície del xip caiguin, provocant finalment la fallada de la connexió elèctrica del xip. Si escollim materials de substrat d'envasament amb un coeficient d'expansió tèrmica proper al dels materials de silici i utilitzem plataformes de prova de granit amb una excel·lent estabilitat tèrmica per a una detecció precisa durant el procés d'envasament, es pot reduir eficaçment el problema de la desajust tèrmica, es pot millorar la fiabilitat de l'envasament i es pot allargar la vida útil del xip.
Control de l'entorn de producció: l'estabilitat coordinada dels equips i els edificis de la fàbrica
A més d'afectar directament el procés de fabricació, el coeficient d'expansió tèrmica també està relacionat amb el control ambiental general de les fàbriques de semiconductors. En els grans tallers de producció de semiconductors, factors com l'arrencada i l'aturada dels sistemes d'aire condicionat i la dissipació de calor dels clústers d'equips poden causar fluctuacions en la temperatura ambiental. Si el coeficient d'expansió tèrmica del terra de la fàbrica, les bases dels equips i altres infraestructures és massa alt, els canvis de temperatura a llarg termini faran que el terra s'esquerdi i que la base de l'equip es mogui, cosa que afectarà la precisió dels equips de precisió com ara les màquines de fotolitografia i les màquines de gravat.
Mitjançant l'ús de bases de granit com a suports d'equips i la combinació de les mateixes amb materials de construcció de fàbriques amb baixos coeficients d'expansió tèrmica, es pot crear un entorn de producció estable, reduint la freqüència de calibratge dels equips i els costos de manteniment causats per la deformació tèrmica ambiental i garantint el funcionament estable a llarg termini de la línia de producció de semiconductors.
El coeficient d'expansió tèrmica recorre tot el cicle de vida de la fabricació de semiconductors, des de la selecció de materials i el control del procés fins a l'embalatge i les proves. L'impacte de l'expansió tèrmica s'ha de tenir en compte estrictament en cada enllaç. Les bases de granit, amb el seu coeficient d'expansió tèrmica ultrabaix i altres propietats excel·lents, proporcionen una base física estable per a la fabricació de semiconductors i esdevenen una garantia important per promoure el desenvolupament dels processos de fabricació de xips cap a una major precisió.
Data de publicació: 20 de maig de 2025