Nel campo della produzione di semiconduttori, che persegue la massima precisione, il coefficiente di dilatazione termica è uno dei parametri fondamentali che influenzano la qualità del prodotto e la stabilità della produzione. Durante l'intero processo, dalla fotolitografia all'incisione fino al confezionamento, le differenze nei coefficienti di dilatazione termica dei materiali possono interferire con la precisione di produzione in vari modi. Tuttavia, la base in granito, con il suo coefficiente di dilatazione termica estremamente basso, è diventata la chiave per risolvere questo problema.
Processo litografico: la deformazione termica provoca la deviazione del modello
La fotolitografia è una fase fondamentale nella produzione di semiconduttori. Attraverso una macchina fotolitografica, i pattern circuitali sulla maschera vengono trasferiti sulla superficie del wafer rivestito di fotoresist. Durante questo processo, la gestione termica all'interno della macchina fotolitografica e la stabilità del piano di lavoro sono di vitale importanza. Prendiamo ad esempio i materiali metallici tradizionali. Il loro coefficiente di dilatazione termica è di circa 12×10⁻⁶/℃. Durante il funzionamento della macchina fotolitografica, il calore generato dalla sorgente laser, dalle lenti ottiche e dai componenti meccanici causerà un aumento della temperatura dell'apparecchiatura di 5-10 °C. Se il piano di lavoro della macchina litografica utilizza una base metallica, una base lunga 1 metro può causare una deformazione da dilatazione di 60-120 μm, che comporterà uno spostamento della posizione relativa tra la maschera e il wafer.
Nei processi di produzione avanzati (come 3 nm e 2 nm), la spaziatura dei transistor è di soli pochi nanometri. Una deformazione termica così piccola è sufficiente a causare il disallineamento del pattern fotolitografico, causando connessioni anomale dei transistor, cortocircuiti o circuiti aperti e altri problemi, con conseguente malfunzionamento del chip. Il coefficiente di dilatazione termica della base in granito è di appena 0,01 μm/°C (ovvero, (1-2) ×10⁻⁶/℃), e la deformazione alla stessa variazione di temperatura è pari solo a 1/10-1/5 di quella del metallo. Può fornire una piattaforma portante stabile per la macchina fotolitografica, garantendo il trasferimento preciso del pattern fotolitografico e migliorando significativamente la resa nella produzione di chip.
Incisione e deposizione: influenzano la precisione dimensionale della struttura
L'incisione e la deposizione sono i processi chiave per la costruzione di strutture circuitali tridimensionali sulla superficie del wafer. Durante il processo di incisione, il gas reattivo subisce una reazione chimica con il materiale di superficie del wafer. Nel frattempo, componenti come l'alimentatore RF e il controllo del flusso di gas all'interno dell'apparecchiatura generano calore, causando un aumento della temperatura del wafer e dei componenti dell'apparecchiatura. Se il coefficiente di dilatazione termica del supporto del wafer o della base dell'apparecchiatura non corrisponde a quello del wafer (il coefficiente di dilatazione termica del silicio è di circa 2,6×10⁻⁶/℃), si genererà stress termico al variare della temperatura, che potrebbe causare piccole crepe o deformazioni sulla superficie del wafer.
Questo tipo di deformazione influirà sulla profondità di incisione e sulla verticalità della parete laterale, causando una deviazione delle dimensioni delle scanalature incise, dei fori passanti e di altre strutture dai requisiti di progettazione. Analogamente, nel processo di deposizione di film sottili, la differenza di dilatazione termica può causare stress interno nel film sottile depositato, causando problemi come la formazione di crepe e la desquamazione del film, che influiscono sulle prestazioni elettriche e sull'affidabilità a lungo termine del chip. L'utilizzo di basi in granito con un coefficiente di dilatazione termica simile a quello dei materiali in silicio può ridurre efficacemente lo stress termico e garantire la stabilità e la precisione dei processi di incisione e deposizione.
Fase di confezionamento: la discrepanza termica causa problemi di affidabilità
Nella fase di confezionamento dei semiconduttori, la compatibilità dei coefficienti di dilatazione termica tra il chip e il materiale di confezionamento (come resina epossidica, ceramica, ecc.) è di vitale importanza. Il coefficiente di dilatazione termica del silicio, il materiale di base dei chip, è relativamente basso, mentre quello della maggior parte dei materiali di confezionamento è relativamente elevato. Quando la temperatura del chip varia durante l'uso, si verifica uno stress termico tra il chip e il materiale di confezionamento a causa della mancata corrispondenza dei coefficienti di dilatazione termica.
Questo stress termico, sotto l'effetto di ripetuti cicli di temperatura (come il riscaldamento e il raffreddamento durante il funzionamento del chip), può causare cricche da fatica nei giunti di saldatura tra il chip e il substrato di confezionamento, o causare la caduta dei fili di collegamento sulla superficie del chip, con conseguente interruzione della connessione elettrica del chip. Scegliendo materiali per il substrato di confezionamento con un coefficiente di dilatazione termica prossimo a quello dei materiali al silicio e utilizzando piattaforme di prova in granito con eccellente stabilità termica per un rilevamento accurato durante il processo di confezionamento, è possibile ridurre efficacemente il problema del disadattamento termico, migliorare l'affidabilità del confezionamento e prolungare la vita utile del chip.
Controllo dell'ambiente di produzione: la stabilità coordinata delle attrezzature e degli edifici della fabbrica
Oltre a influenzare direttamente il processo di produzione, il coefficiente di dilatazione termica è anche correlato al controllo ambientale complessivo delle fabbriche di semiconduttori. Nei grandi reparti di produzione di semiconduttori, fattori come l'avvio e l'arresto dei sistemi di condizionamento dell'aria e la dissipazione del calore dei gruppi di apparecchiature possono causare fluttuazioni della temperatura ambiente. Se il coefficiente di dilatazione termica del pavimento della fabbrica, delle basi delle apparecchiature e di altre infrastrutture è troppo elevato, le variazioni di temperatura a lungo termine causeranno crepe nel pavimento e lo spostamento delle fondamenta delle apparecchiature, compromettendo così la precisione di apparecchiature di precisione come le macchine per fotolitografia e le macchine per incisione.
Utilizzando basi in granito come supporti per le attrezzature e combinandole con materiali da costruzione industriali con bassi coefficienti di dilatazione termica, è possibile creare un ambiente di produzione stabile, riducendo la frequenza di calibrazione delle attrezzature e i costi di manutenzione causati dalla deformazione termica ambientale e garantendo il funzionamento stabile a lungo termine della linea di produzione dei semiconduttori.
Il coefficiente di dilatazione termica caratterizza l'intero ciclo di vita della produzione di semiconduttori, dalla selezione dei materiali, al controllo di processo, fino al confezionamento e ai test. L'impatto della dilatazione termica deve essere attentamente considerato in ogni fase. Le basi in granito, con il loro bassissimo coefficiente di dilatazione termica e altre eccellenti proprietà, forniscono una base fisica stabile per la produzione di semiconduttori e rappresentano un'importante garanzia per promuovere lo sviluppo di processi di produzione di chip verso una maggiore precisione.
Data di pubblicazione: 20 maggio 2025