En el campo de la fabricación de semiconductores, que busca la máxima precisión, el coeficiente de dilatación térmica es uno de los parámetros clave que afectan la calidad del producto y la estabilidad de la producción. A lo largo de todo el proceso, desde la fotolitografía y el grabado hasta el encapsulado, las diferencias en los coeficientes de dilatación térmica de los materiales pueden interferir con la precisión de la fabricación de diversas maneras. Sin embargo, la base de granito, con su coeficiente de dilatación térmica ultrabajo, se ha convertido en la clave para resolver este problema.
Proceso de litografía: La deformación térmica provoca desviación del patrón.
La fotolitografía es un paso fundamental en la fabricación de semiconductores. Mediante una máquina de fotolitografía, los patrones de circuitos de la máscara se transfieren a la superficie de la oblea recubierta con fotorresina. Durante este proceso, la gestión térmica dentro de la máquina de fotolitografía y la estabilidad de la mesa de trabajo son de vital importancia. Tomemos como ejemplo los materiales metálicos tradicionales. Su coeficiente de dilatación térmica es de aproximadamente 12 × 10⁻⁶/°C. Durante el funcionamiento de la máquina de fotolitografía, el calor generado por la fuente de luz láser, las lentes ópticas y los componentes mecánicos provocará un aumento de la temperatura del equipo de 5 a 10 °C. Si la mesa de trabajo de la máquina de litografía utiliza una base metálica, una base de 1 metro de longitud puede causar una deformación por dilatación de 60 a 120 μm, lo que provocará un desplazamiento en la posición relativa entre la máscara y la oblea.
En los procesos de fabricación avanzados (como los de 3 nm y 2 nm), el espaciado entre transistores es de tan solo unos pocos nanómetros. Una deformación térmica tan pequeña es suficiente para provocar la desalineación del patrón de fotolitografía, lo que conlleva conexiones anómalas de los transistores, cortocircuitos o circuitos abiertos, y otros problemas, resultando directamente en el fallo de las funciones del chip. El coeficiente de dilatación térmica de la base de granito es tan bajo como 0,01 μm/°C (es decir, (1-2) × 10⁻⁶/°C), y la deformación bajo el mismo cambio de temperatura es solo 1/10-1/5 de la del metal. Puede proporcionar una plataforma de soporte de carga estable para la máquina de fotolitografía, asegurando la transferencia precisa del patrón de fotolitografía y mejorando significativamente el rendimiento de la fabricación de chips.
Grabado y deposición: Afectan la precisión dimensional de la estructura.
El grabado y la deposición son los procesos clave para la construcción de estructuras de circuitos tridimensionales en la superficie de la oblea. Durante el proceso de grabado, el gas reactivo reacciona químicamente con el material de la superficie de la oblea. Mientras tanto, componentes como la fuente de alimentación de RF y el control del flujo de gas dentro del equipo generan calor, lo que provoca un aumento de la temperatura de la oblea y de los componentes del equipo. Si el coeficiente de dilatación térmica del soporte de la oblea o de la base del equipo no coincide con el de la oblea (el coeficiente de dilatación térmica del silicio es aproximadamente 2,6 × 10⁻⁶/°C), se generará tensión térmica al variar la temperatura, lo que puede provocar pequeñas grietas o deformaciones en la superficie de la oblea.
Este tipo de deformación afectará la profundidad del grabado y la verticalidad de la pared lateral, provocando que las dimensiones de las ranuras grabadas, los orificios pasantes y otras estructuras se desvíen de los requisitos de diseño. De manera similar, en el proceso de deposición de película delgada, la diferencia en la expansión térmica puede causar tensiones internas en la película depositada, lo que conlleva problemas como el agrietamiento y el desprendimiento de la película, afectando el rendimiento eléctrico y la fiabilidad a largo plazo del chip. El uso de bases de granito con un coeficiente de expansión térmica similar al de los materiales de silicio puede reducir eficazmente las tensiones térmicas y garantizar la estabilidad y precisión de los procesos de grabado y deposición.
Etapa de empaquetado: La incompatibilidad térmica provoca problemas de fiabilidad.
En la etapa de encapsulado de semiconductores, la compatibilidad de los coeficientes de dilatación térmica entre el chip y el material de encapsulado (como resina epoxi, cerámica, etc.) es de vital importancia. El coeficiente de dilatación térmica del silicio, el material principal de los chips, es relativamente bajo, mientras que el de la mayoría de los materiales de encapsulado es relativamente alto. Cuando la temperatura del chip cambia durante su uso, se produce una tensión térmica entre el chip y el material de encapsulado debido a la diferencia en los coeficientes de dilatación térmica.
Esta tensión térmica, bajo el efecto de ciclos de temperatura repetidos (como el calentamiento y enfriamiento durante el funcionamiento del chip), puede provocar el agrietamiento por fatiga de las uniones de soldadura entre el chip y el sustrato de encapsulado, o causar que los cables de conexión en la superficie del chip se desprendan, lo que en última instancia resulta en la falla de la conexión eléctrica del chip. Al elegir materiales de sustrato de encapsulado con un coeficiente de expansión térmica cercano al de los materiales de silicio y utilizar plataformas de prueba de granito con excelente estabilidad térmica para una detección precisa durante el proceso de encapsulado, se puede reducir eficazmente el problema de la incompatibilidad térmica, se puede mejorar la fiabilidad del encapsulado y se puede prolongar la vida útil del chip.
Control del entorno de producción: La estabilidad coordinada de los equipos y los edificios de la fábrica.
Además de afectar directamente al proceso de fabricación, el coeficiente de dilatación térmica también está relacionado con el control ambiental general de las fábricas de semiconductores. En los grandes talleres de producción de semiconductores, factores como el arranque y la parada de los sistemas de aire acondicionado y la disipación de calor de los grupos de equipos pueden provocar fluctuaciones en la temperatura ambiente. Si el coeficiente de dilatación térmica del suelo de la fábrica, las bases de los equipos y demás infraestructura es demasiado alto, los cambios de temperatura a largo plazo provocarán grietas en el suelo y desplazamientos en la base de los equipos, afectando así a la precisión de equipos de precisión como las máquinas de fotolitografía y las máquinas de grabado.
Al utilizar bases de granito como soportes para los equipos y combinarlas con materiales de construcción de fábrica con bajos coeficientes de dilatación térmica, se puede crear un entorno de producción estable, reduciendo la frecuencia de calibración de los equipos y los costes de mantenimiento causados por la deformación térmica ambiental, y garantizando el funcionamiento estable a largo plazo de la línea de producción de semiconductores.
El coeficiente de dilatación térmica influye en todo el ciclo de vida de la fabricación de semiconductores, desde la selección de materiales y el control de procesos hasta el empaquetado y las pruebas. Es fundamental considerar rigurosamente su impacto en cada etapa. Las bases de granito, gracias a su coeficiente de dilatación térmica ultrabajo y otras excelentes propiedades, proporcionan una base física estable para la fabricación de semiconductores y constituyen una garantía importante para impulsar el desarrollo de procesos de fabricación de chips hacia una mayor precisión.
Fecha de publicación: 20 de mayo de 2025