Na área de fabricação de semicondutores, que busca a máxima precisão, o coeficiente de expansão térmica é um dos principais parâmetros que afetam a qualidade do produto e a estabilidade da produção. Ao longo de todo o processo, desde a fotolitografia e a gravação até a embalagem, as diferenças nos coeficientes de expansão térmica dos materiais podem interferir na precisão da fabricação de diversas maneiras. No entanto, a base de granito, com seu baixíssimo coeficiente de expansão térmica, tornou-se a chave para resolver esse problema.
Processo de litografia: a deformação térmica causa desvio do padrão
A fotolitografia é uma etapa fundamental na fabricação de semicondutores. Por meio de uma máquina de fotolitografia, os padrões de circuito da máscara são transferidos para a superfície do wafer revestido com fotorresiste. Durante esse processo, o gerenciamento térmico dentro da máquina de fotolitografia e a estabilidade da mesa de trabalho são de vital importância. Tomemos como exemplo os materiais metálicos tradicionais. Seu coeficiente de expansão térmica é de aproximadamente 12 × 10⁻⁶/°C. Durante a operação da máquina de fotolitografia, o calor gerado pela fonte de luz laser, lentes ópticas e componentes mecânicos fará com que a temperatura do equipamento aumente de 5 a 10°C. Se a mesa de trabalho da máquina de litografia utilizar uma base metálica, uma base de 1 metro de comprimento pode causar uma deformação por expansão de 60 a 120 μm, o que levará a um deslocamento na posição relativa entre a máscara e o wafer.
Em processos de fabricação avançados (como 3 nm e 2 nm), o espaçamento entre transistores é de apenas alguns nanômetros. Uma deformação térmica tão pequena é suficiente para desalinhar o padrão de fotolitografia, levando a conexões anormais do transistor, curtos-circuitos ou circuitos abertos e outros problemas, resultando diretamente na falha das funções do chip. O coeficiente de expansão térmica da base de granito é tão baixo quanto 0,01 μm/°C (ou seja, (1-2) ×10⁻⁶/°C), e a deformação sob a mesma variação de temperatura é de apenas 1/10-1/5 daquela do metal. Isso pode fornecer uma plataforma de suporte de carga estável para a máquina de fotolitografia, garantindo a transferência precisa do padrão de fotolitografia e melhorando significativamente o rendimento da fabricação do chip.
Gravação e deposição: afetam a precisão dimensional da estrutura
A corrosão e a deposição são os principais processos para a construção de estruturas de circuitos tridimensionais na superfície do wafer. Durante o processo de corrosão, o gás reativo sofre uma reação química com o material da superfície do wafer. Enquanto isso, componentes como a fonte de alimentação de RF e o controle de fluxo de gás dentro do equipamento geram calor, causando o aumento da temperatura do wafer e dos componentes do equipamento. Se o coeficiente de expansão térmica do suporte do wafer ou da base do equipamento não corresponder ao do wafer (o coeficiente de expansão térmica do material de silício é de aproximadamente 2,6 × 10⁻⁶/°C), ocorrerá tensão térmica quando a temperatura mudar, o que pode causar pequenas rachaduras ou deformações na superfície do wafer.
Esse tipo de deformação afetará a profundidade da gravação e a verticalidade da parede lateral, fazendo com que as dimensões das ranhuras gravadas, furos passantes e outras estruturas se desviem dos requisitos de projeto. Da mesma forma, no processo de deposição de filme fino, a diferença na expansão térmica pode causar tensão interna no filme fino depositado, levando a problemas como rachaduras e descascamento do filme, o que afeta o desempenho elétrico e a confiabilidade do chip a longo prazo. O uso de bases de granito com coeficiente de expansão térmica semelhante ao dos materiais de silício pode reduzir efetivamente a tensão térmica e garantir a estabilidade e a precisão dos processos de gravação e deposição.
Estágio de embalagem: incompatibilidade térmica causa problemas de confiabilidade
Na fase de encapsulamento de semicondutores, a compatibilidade dos coeficientes de expansão térmica entre o chip e o material de encapsulamento (como resina epóxi, cerâmica, etc.) é de vital importância. O coeficiente de expansão térmica do silício, o material central dos chips, é relativamente baixo, enquanto o da maioria dos materiais de encapsulamento é relativamente alto. Quando a temperatura do chip muda durante o uso, ocorre estresse térmico entre o chip e o material de encapsulamento devido à incompatibilidade dos coeficientes de expansão térmica.
Esse estresse térmico, sob o efeito de ciclos repetidos de temperatura (como o aquecimento e o resfriamento durante a operação do chip), pode levar à trinca por fadiga nas juntas de solda entre o chip e o substrato de encapsulamento, ou causar a queda dos fios de ligação na superfície do chip, resultando, em última análise, na falha da conexão elétrica do chip. Ao escolher materiais de substrato de encapsulamento com um coeficiente de expansão térmica próximo ao dos materiais de silício e utilizar plataformas de teste de granito com excelente estabilidade térmica para detecção precisa durante o processo de encapsulamento, o problema de incompatibilidade térmica pode ser efetivamente reduzido, a confiabilidade do encapsulamento pode ser melhorada e a vida útil do chip pode ser prolongada.
Controle do ambiente de produção: A estabilidade coordenada dos equipamentos e edifícios da fábrica
Além de afetar diretamente o processo de fabricação, o coeficiente de expansão térmica também está relacionado ao controle ambiental geral das fábricas de semicondutores. Em grandes oficinas de produção de semicondutores, fatores como o início e o desligamento dos sistemas de ar condicionado e a dissipação de calor dos conjuntos de equipamentos podem causar flutuações na temperatura ambiente. Se o coeficiente de expansão térmica do piso da fábrica, das bases dos equipamentos e de outras infraestruturas for muito alto, mudanças de temperatura prolongadas causarão rachaduras no piso e deslocamento da base do equipamento, afetando assim a precisão de equipamentos de precisão, como máquinas de fotolitografia e máquinas de gravação.
Ao usar bases de granito como suporte de equipamentos e combiná-las com materiais de construção de fábrica com baixos coeficientes de expansão térmica, um ambiente de produção estável pode ser criado, reduzindo a frequência de calibração de equipamentos e custos de manutenção causados pela deformação térmica ambiental e garantindo a operação estável de longo prazo da linha de produção de semicondutores.
O coeficiente de expansão térmica permeia todo o ciclo de vida da fabricação de semicondutores, desde a seleção do material, o controle do processo até a embalagem e os testes. O impacto da expansão térmica precisa ser rigorosamente considerado em todos os aspectos. Bases de granito, com seu baixíssimo coeficiente de expansão térmica e outras excelentes propriedades, fornecem uma base física estável para a fabricação de semicondutores e se tornam uma garantia importante para promover o desenvolvimento de processos de fabricação de chips rumo a uma maior precisão.
Data de publicação: 20 de maio de 2025