En el campo de la fabricación de semiconductores, donde se 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 empaquetado, 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 solucionar 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 impresos en la máscara se transfieren a la superficie de la oblea recubierta con fotorresistente. 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 dilatación térmica es de aproximadamente 12 × 10⁻⁶/°C. Durante el funcionamiento de la máquina, el calor generado por la fuente de luz láser, las lentes ópticas y los componentes mecánicos provoca un aumento de la temperatura del equipo de entre 5 y 10 °C. Si la mesa de trabajo de la máquina utiliza una base metálica, una base de 1 metro de longitud puede causar una deformación por dilatación de entre 60 y 120 μm, lo que conlleva 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), la separación entre transistores es de apenas unos nanómetros. Esta mínima deformación térmica es suficiente para provocar una desalineación del patrón de fotolitografía, lo que conlleva conexiones anómalas en los transistores, cortocircuitos o circuitos abiertos, entre otros problemas, que resultan directamente en el fallo 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 ante el mismo cambio de temperatura es solo entre 1/10 y 1/5 de la del metal. Esto proporciona una plataforma estable para soportar la carga de 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 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 superficial de la oblea. Simultáneamente, 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 tanto en la oblea como en 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 microfisuras 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 tensión interna 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 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 fiabilidad.
En la etapa de empaquetado de semiconductores, la compatibilidad de los coeficientes de dilatación térmica entre el chip y el material de empaquetado (como resina epoxi, cerámica, etc.) es de vital importancia. El coeficiente de dilatación térmica del silicio, el material central de los chips, es relativamente bajo, mientras que el de la mayoría de los materiales de empaquetado es relativamente alto. Cuando la temperatura del chip cambia durante su uso, se produce una tensión térmica entre el chip y el material de empaquetado 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 fisuras por fatiga en las soldaduras entre el chip y el sustrato de encapsulado, o causar el desprendimiento de los hilos de conexión en la superficie del chip, 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 similar al del 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 del 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 las instalaciones 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 encendido y apagado de los sistemas de aire acondicionado y la disipación de calor de los grupos de equipos pueden provocar fluctuaciones en la temperatura ambiental. 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 el desplazamiento de las bases de los equipos, lo que afectará 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 la 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 el impacto de la dilatación térmica 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 de mayor precisión.
Fecha de publicación: 20 de mayo de 2025