В областта на производството на полупроводници, което се стреми към максимална прецизност, коефициентът на термично разширение е един от основните параметри, които влияят върху качеството на продукта и стабилността на производството. По време на целия процес - от фотолитографията, ецването до опаковането, разликите в коефициентите на термично разширение на материалите могат да повлияят на точността на производството по различни начини. Гранитната основа обаче, със своя ултра нисък коефициент на термично разширение, се е превърнала в ключ към решаването на този проблем.
Литографски процес: Термичната деформация причинява отклонение на шаблона
Фотолитографията е основна стъпка в производството на полупроводници. Чрез фотолитографска машина, схемите върху маската се пренасят върху повърхността на пластината, покрита с фоторезист. По време на този процес, управлението на температурата във фотолитографската машина и стабилността на работната маса са от жизненоважно значение. Вземете за пример традиционните метални материали. Техният коефициент на термично разширение е приблизително 12×10⁻⁶/℃. По време на работа на фотолитографската машина, топлината, генерирана от лазерния източник на светлина, оптичните лещи и механичните компоненти, ще доведе до повишаване на температурата на оборудването с 5-10 ℃. Ако работната маса на литографската машина използва метална основа, основа с дължина 1 метър може да причини деформация от разширение от 60-120 μm, което ще доведе до изместване на относителното положение между маската и пластината.
При усъвършенстваните производствени процеси (като 3nm и 2nm), разстоянието между транзисторите е само няколко нанометра. Такава малка термична деформация е достатъчна, за да доведе до неправилно подравняване на фотолитографския шаблон, което води до анормални транзистори, къси съединения или отворени вериги и други проблеми, водещи директно до повреда в чипа. Коефициентът на термично разширение на гранитната основа е едва 0,01μm/°C (т.е. (1-2) ×10⁻⁶/℃), а деформацията при същата температурна промяна е само 1/10-1/5 от тази на метала. Тя може да осигури стабилна носеща платформа за фотолитографската машина, осигурявайки прецизно прехвърляне на фотолитографския шаблон и значително подобрявайки добива на чипове.
Ецване и отлагане: Влияят на точността на размерите на структурата
Ецването и отлагането са ключовите процеси за изграждане на триизмерни схеми върху повърхността на пластината. По време на процеса на ецване, реактивният газ претърпява химическа реакция с повърхностния материал на пластината. Междувременно, компоненти като радиочестотното захранване и контрола на газовия поток вътре в оборудването генерират топлина, което води до повишаване на температурата на пластината и компонентите на оборудването. Ако коефициентът на термично разширение на носача на пластината или основата на оборудването не съвпада с този на пластината (коефициентът на термично разширение на силициевия материал е приблизително 2,6×10⁻⁶/℃), при промяна на температурата ще се генерира термично напрежение, което може да причини малки пукнатини или деформации по повърхността на пластината.
Този вид деформация ще повлияе на дълбочината на ецване и вертикалността на страничната стена, което ще доведе до отклонение на размерите на ецваните канали, проходни отвори и други структури от проектните изисквания. По подобен начин, при процеса на отлагане на тънък филм, разликата в термичното разширение може да причини вътрешно напрежение в отложения тънък филм, което води до проблеми като напукване и лющене на филма, което влияе върху електрическите характеристики и дългосрочната надеждност на чипа. Използването на гранитни основи с коефициент на термично разширение, подобен на този на силициевите материали, може ефективно да намали термичното напрежение и да осигури стабилност и точност на процесите на ецване и отлагане.
Етап на опаковане: Термичното несъответствие причинява проблеми с надеждността
В етапа на опаковане на полупроводници, съвместимостта на коефициентите на термично разширение между чипа и опаковъчния материал (като епоксидна смола, керамика и др.) е от жизненоважно значение. Коефициентът на термично разширение на силиция, основния материал на чиповете, е сравнително нисък, докато този на повечето опаковъчни материали е сравнително висок. Когато температурата на чипа се промени по време на употреба, ще възникне термично напрежение между чипа и опаковъчния материал поради несъответствието на коефициентите на термично разширение.
Това термично напрежение, под въздействието на повтарящи се температурни цикли (като нагряване и охлаждане по време на работа на чипа), може да доведе до напукване от умора на спойките между чипа и основата на опаковката или да причини отпадане на свързващите проводници върху повърхността на чипа, което в крайна сметка води до повреда на електрическата връзка на чипа. Чрез избора на материали за основа на опаковката с коефициент на термично разширение, близък до този на силициевите материали, и използването на гранитни тестови платформи с отлична термична стабилност за точно откриване по време на процеса на опаковане, проблемът с термичното несъответствие може да бъде ефективно намален, надеждността на опаковката може да бъде подобрена и експлоатационният живот на чипа може да бъде удължен.
Контрол на производствената среда: Координирана стабилност на оборудването и фабричните сгради
В допълнение към прякото влияние върху производствения процес, коефициентът на топлинно разширение е свързан и с цялостния контрол на околната среда в заводите за полупроводници. В големи цехове за производство на полупроводници, фактори като стартиране и спиране на климатичните системи и разсейването на топлината от клъстерите на оборудването могат да причинят колебания в температурата на околната среда. Ако коефициентът на топлинно разширение на производствения под, основите на оборудването и друга инфраструктура е твърде висок, дългосрочните температурни промени ще доведат до напукване на пода и изместване на основата на оборудването, като по този начин ще повлияят на точността на прецизно оборудване, като фотолитографски машини и машини за ецване.
Чрез използването на гранитни основи като опори за оборудване и комбинирането им с материали за фабрични сгради с ниски коефициенти на термично разширение, може да се създаде стабилна производствена среда, намалявайки честотата на калибриране на оборудването и разходите за поддръжка, причинени от термичната деформация на околната среда, и осигурявайки дългосрочна стабилна работа на производствената линия за полупроводници.
Коефициентът на термично разширение преминава през целия жизнен цикъл на производството на полупроводници, от избора на материали, контрола на процеса до опаковането и тестването. Въздействието на термичното разширение трябва да се отчита стриктно във всяко звено. Гранитните основи, със своя ултра нисък коефициент на термично разширение и други отлични свойства, осигуряват стабилна физическа основа за производството на полупроводници и се превръщат във важна гаранция за насърчаване на развитието на процесите за производство на чипове към по-висока прецизност.
Време на публикуване: 20 май 2025 г.