En el campo de la fabricación de semiconductores, que busca la máxima precisión, el coeficiente de expansión térmica es uno de los parámetros fundamentales 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 envasado, las diferencias en los coeficientes de expansión térmica de los materiales pueden afectar la precisión de la fabricación de diversas maneras. Sin embargo, la base de granito, con su coeficiente de expansión 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 del circuito de la máscara se transfieren a la superficie de la oblea recubierta de fotorresistencia. Durante este proceso, la gestión térmica dentro de la máquina y la estabilidad de la mesa de trabajo son de vital importancia. Tomemos como ejemplo los materiales metálicos tradicionales. Su coeficiente de expansión térmica es de aproximadamente 12×10⁻⁶/℃. 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 ℃. 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 expansión de 60 a 120 μm, lo que provocará un desplazamiento de la posición relativa entre la máscara y la oblea.
En procesos de fabricación avanzados (como 3 nm y 2 nm), la separación entre transistores es de tan solo unos pocos nanómetros. Una deformación térmica tan pequeña es suficiente para desalinear el patrón de fotolitografía, lo que provoca conexiones anormales de transistores, cortocircuitos o circuitos abiertos, entre otros problemas, lo que resulta directamente en el fallo de las funciones del chip. El coeficiente de expansión térmica de la base de granito es de tan solo 0,01 μm/°C (es decir, (1-2) ×10⁻⁶/℃), y la deformación bajo el mismo cambio de temperatura es de tan solo 1/10-1/5 de la del metal. Esto proporciona una plataforma de carga estable para la máquina de fotolitografía, garantizando la transferencia precisa del patrón 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 procesos clave para construir estructuras de circuitos tridimensionales en la superficie de la oblea. Durante el proceso de grabado, el gas reactivo experimenta una reacción química 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 sus componentes. Si el coeficiente de expansión térmica del soporte de la oblea o de la base del equipo no coincide con el de la oblea (el coeficiente de expansión térmica del silicio es de aproximadamente 2,6 × 10⁻⁶/℃), se generará tensión térmica cuando la temperatura cambie, lo que puede causar 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 igual manera, en el proceso de deposición de película delgada, la diferencia en la expansión térmica puede causar tensión interna en la película delgada depositada, lo que provoca problemas como grietas y desprendimientos, lo que afecta 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 la tensión térmica y garantizar la estabilidad y precisión de los procesos de grabado y deposición.
Etapa de empaquetado: el desajuste térmico provoca problemas de confiabilidad
En la etapa de encapsulado de semiconductores, la compatibilidad de los coeficientes de expansión térmica entre el chip y el material de encapsulado (como resina epoxi, cerámica, etc.) es fundamental. El coeficiente de expansión 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 varía durante su uso, se produce tensión térmica entre el chip y el material de encapsulado debido a la discrepancia en los coeficientes de expansión térmica.
Esta tensión térmica, bajo el efecto de ciclos de temperatura repetidos (como el calentamiento y enfriamiento durante el funcionamiento del chip), puede provocar grietas por fatiga en las uniones soldadas entre el chip y el sustrato de encapsulado, o provocar la caída de los cables de unión en la superficie del chip, lo que finalmente provoca un fallo en 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 desajuste térmico, mejorar la fiabilidad del encapsulado y 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 el proceso de fabricación, el coeficiente de expansión térmica también está relacionado con el control ambiental general de las fábricas de semiconductores. En 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 expansión térmica de la planta de producción, las bases de los equipos y otras infraestructuras es demasiado alto, los cambios de temperatura a largo plazo provocarán grietas en el suelo y desplazamientos de los cimientos de los equipos, lo que afectará la precisión de equipos de precisión como las máquinas de fotolitografía y las máquinas de grabado.
Al utilizar bases de granito como soportes de equipos y combinarlas con materiales de construcción de fábrica con coeficientes de expansión térmica bajos, se puede crear un entorno de producción estable, reduciendo la frecuencia de calibración de equipos y los costos de mantenimiento causados por la deformación térmica ambiental y asegurando el funcionamiento estable a largo plazo de la línea de producción de semiconductores.
El coeficiente de expansión térmica se refleja en todo el ciclo de vida de la fabricación de semiconductores, desde la selección de materiales y el control del proceso hasta el empaquetado y las pruebas. El impacto de la expansión térmica debe considerarse rigurosamente en cada etapa. Las bases de granito, con su coeficiente de expansión térmica ultrabajo y otras excelentes propiedades, proporcionan una base física estable para la fabricación de semiconductores y se convierten en una garantía importante para impulsar el desarrollo de los procesos de fabricación de chips hacia una mayor precisión.
Hora de publicación: 20 de mayo de 2025