Na área de fabricação de semicondutores, a precisão é essencial para a qualidade e o desempenho do produto. Os equipamentos de medição de semicondutores, como elo fundamental para garantir a precisão da produção, impõem requisitos quase rigorosos à estabilidade de seus componentes principais. Entre eles, a plataforma de granito, com sua excepcional estabilidade térmica, desempenha um papel indispensável nesses equipamentos. Este artigo realizará uma análise aprofundada do desempenho da estabilidade térmica de plataformas de granito em equipamentos de medição de semicondutores por meio de dados de testes reais.
Os rigorosos requisitos de estabilidade térmica dos equipamentos de medição na fabricação de semicondutores.
O processo de fabricação de semicondutores é extremamente complexo e preciso, e a largura das linhas do circuito no chip atingiu o nível nanométrico. Em um processo de fabricação de alta precisão como esse, até mesmo a menor variação de temperatura pode causar expansão e contração térmica dos componentes do equipamento, desencadeando erros de medição. Por exemplo, no processo de fotolitografia, se a precisão de medição do equipamento de medição se desviar em 1 nanômetro, isso pode causar problemas sérios, como curtos-circuitos ou circuitos abertos nos circuitos do chip, levando ao descarte do mesmo. De acordo com estatísticas da indústria, para cada variação de 1°C na temperatura, a plataforma tradicional de equipamentos de medição de materiais metálicos pode sofrer alterações dimensionais de vários nanômetros. No entanto, a fabricação de semicondutores exige que a precisão de medição seja controlada dentro de ±0,1 nanômetros, o que torna a estabilidade térmica um fator crucial para determinar se o equipamento de medição atende às demandas da fabricação de semicondutores.
Vantagens teóricas da estabilidade térmica de plataformas de granito
O granito, como um tipo de pedra natural, possui uma cristalização mineral interna compacta, uma estrutura densa e uniforme, e apresenta a vantagem natural da estabilidade térmica. Em termos de coeficiente de expansão térmica, o do granito é extremamente baixo, geralmente variando de 4,5 a 6,5×10⁻⁶/K. Em contraste, o coeficiente de expansão térmica de materiais metálicos comuns, como ligas de alumínio, chega a 23,8×10⁻⁶/K, sendo várias vezes maior que o do granito. Isso significa que, sob as mesmas condições de variação de temperatura, a variação dimensional da plataforma de granito é muito menor que a da plataforma metálica, o que pode fornecer uma referência de medição mais estável para equipamentos de medição de semicondutores.
Além disso, a estrutura cristalina do granito confere-lhe excelente uniformidade na condução de calor. Quando o funcionamento do equipamento gera calor ou a temperatura ambiente se altera, a plataforma de granito consegue dissipar o calor de forma rápida e uniforme, evitando o sobreaquecimento ou o sobre-resfriamento localizados, mantendo assim uma temperatura global consistente na plataforma e garantindo a estabilidade da precisão das medições.
O processo e o método de medição da estabilidade térmica
Para avaliar com precisão a estabilidade térmica da plataforma de granito em equipamentos de medição de semicondutores, desenvolvemos um rigoroso esquema de medição. Selecionamos um instrumento de medição de wafers semicondutores de alta precisão, equipado com uma plataforma de granito processada com superprecisão. No ambiente experimental, simulamos a faixa de variação de temperatura comum em uma oficina de fabricação de semicondutores, ou seja, aquecimento gradual de 20 °C a 35 °C e posterior resfriamento de volta a 20 °C. Todo o processo durou 8 horas.
Sobre a plataforma de granito do instrumento de medição, são colocadas lâminas de silício padrão de alta precisão, e sensores de deslocamento com precisão nanométrica são usados para monitorar em tempo real as mudanças de posição relativa entre as lâminas de silício e a plataforma. Simultaneamente, múltiplos sensores de temperatura de alta precisão são dispostos em diferentes posições na plataforma para monitorar a distribuição de temperatura na superfície da plataforma. Durante o experimento, os dados de deslocamento e temperatura foram registrados a cada 15 minutos para garantir a integridade e a precisão dos dados.
Análise de dados e resultados obtidos
A relação entre mudanças de temperatura e mudanças no tamanho da plataforma
Dados experimentais mostram que, quando a temperatura sobe de 20 °C para 35 °C, a variação na dimensão linear da plataforma de granito é extremamente pequena. Após cálculos, ao longo de todo o processo de aquecimento, a expansão linear máxima da plataforma é de apenas 0,3 nanômetros, valor muito inferior à margem de tolerância de erro para precisão de medição em processos de fabricação de semicondutores. Durante a fase de resfriamento, a dimensão da plataforma retorna quase completamente ao estado inicial, e o fenômeno de atraso na variação dimensional pode ser ignorado. Essa característica de manter variações dimensionais extremamente baixas, mesmo sob flutuações significativas de temperatura, valida plenamente a excelente estabilidade térmica da plataforma de granito.
Análise da uniformidade da temperatura na superfície da plataforma
Os dados coletados pelo sensor de temperatura mostram que, durante a operação do equipamento e o processo de variação de temperatura, a distribuição de temperatura na superfície da plataforma de granito é extremamente uniforme. Mesmo durante a fase de maior variação de temperatura, a diferença de temperatura entre cada ponto de medição na superfície da plataforma é sempre controlada dentro de ±0,1℃. A distribuição uniforme de temperatura evita eficazmente a deformação da plataforma causada por tensões térmicas desiguais, garantindo a planicidade e a estabilidade da superfície de referência de medição e proporcionando um ambiente de medição confiável para equipamentos de metrologia de semicondutores.
Em comparação com as plataformas de materiais tradicionais
Os dados medidos na plataforma de granito foram comparados com os de um equipamento de medição de semicondutores do mesmo tipo, utilizando uma plataforma de liga de alumínio, e as diferenças foram significativas. Sob as mesmas condições de variação de temperatura, a expansão linear da plataforma de liga de alumínio chega a 2,5 nanômetros, o que é mais de oito vezes maior que a da plataforma de granito. Enquanto isso, a distribuição de temperatura na superfície da plataforma de liga de alumínio é irregular, com uma diferença máxima de temperatura atingindo 0,8 °C, resultando em deformação evidente da plataforma e afetando seriamente a precisão da medição.
No mundo preciso dos equipamentos de metrologia para semicondutores, as plataformas de granito, com sua excepcional estabilidade térmica, tornaram-se essenciais para garantir a exatidão das medições. Os dados obtidos comprovam o excelente desempenho das plataformas de granito em resposta a variações de temperatura, fornecendo suporte técnico confiável para a indústria de fabricação de semicondutores. À medida que os processos de fabricação de semicondutores avançam em direção a níveis de precisão cada vez maiores, a vantagem da estabilidade térmica das plataformas de granito se tornará ainda mais evidente, impulsionando continuamente a inovação e o desenvolvimento tecnológico no setor.
Data da publicação: 13 de maio de 2025