Na área de fabricação de semicondutores, que busca a máxima precisão, o coeficiente de expansão térmica é um dos parâmetros essenciais que afetam a qualidade do produto e a estabilidade da produção. Ao longo de todo o processo, da fotolitografia à corrosão e à 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 coeficiente de expansão térmica ultrabaixo, tornou-se a chave para solucionar esse problema.
Processo de litografia: a deformação térmica causa desvio no padrão.
A fotolitografia é uma etapa fundamental na fabricação de semicondutores. Através de uma máquina de fotolitografia, os padrões do circuito na máscara são transferidos para a superfície do wafer revestida 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/℃. 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 ℃. 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 os transistores é de apenas alguns nanômetros. Uma deformação térmica tão pequena é suficiente para causar o desalinhamento do padrão de fotolitografia, levando a conexões anormais dos transistores, 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 apenas 1/10 a 1/5 da deformação do metal. Isso proporciona 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 de chips.
Gravação e deposição: afetam a precisão dimensional da estrutura.
A corrosão e a deposição são os processos-chave 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. Simultaneamente, componentes como a fonte de alimentação de radiofrequência e o controle do 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 silício é de aproximadamente 2,6 × 10⁻⁶/°C), ocorrerá tensão térmica com a variação de temperatura, o que pode causar microfissuras ou deformações na superfície do wafer.
Esse tipo de deformação afetará a profundidade de corrosão e a verticalidade da parede lateral, fazendo com que as dimensões dos sulcos corroídos, furos passantes e outras estruturas se desviem dos requisitos do projeto. Da mesma forma, no processo de deposição de filmes finos, a diferença na expansão térmica pode causar tensão interna no filme depositado, levando a problemas como rachaduras e descolamento, o que afeta o desempenho elétrico e a confiabilidade a longo prazo do chip. O uso de bases de granito com coeficiente de expansão térmica semelhante ao do silício pode reduzir efetivamente a tensão térmica e garantir a estabilidade e a precisão dos processos de corrosão e deposição.
Etapa de embalagem: A incompatibilidade térmica causa problemas de confiabilidade.
Na etapa 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 varia durante o uso, ocorre tensão térmica entre o chip e o material de encapsulamento devido à incompatibilidade dos coeficientes de expansão térmica.
Essa tensão térmica, sob o efeito de ciclos repetidos de temperatura (como o aquecimento e o resfriamento durante a operação do chip), pode levar à fissuração por fadiga das juntas de solda entre o chip e o substrato da embalagem, ou causar o desprendimento dos fios de ligação na superfície do chip, resultando, em última instância, na falha da conexão elétrica do chip. Ao escolher materiais de substrato de embalagem com um coeficiente de expansão térmica próximo ao do silício e ao utilizar plataformas de teste de granito com excelente estabilidade térmica para detecção precisa durante o processo de embalagem, o problema de incompatibilidade térmica pode ser efetivamente reduzido, a confiabilidade da embalagem pode ser melhorada e a vida útil do chip pode ser prolongada.
Controle do ambiente de produção: A estabilidade coordenada dos equipamentos e das instalações 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 galpões de produção de semicondutores, fatores como o ligar e desligar 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, as mudanças de temperatura a longo prazo podem causar rachaduras no piso e deslocamento das fundações dos equipamentos, afetando assim a precisão de equipamentos como máquinas de fotolitografia e máquinas de corrosão.
Ao utilizar bases de granito como suporte para os equipamentos e combiná-las com materiais de construção fabril com baixos coeficientes de expansão térmica, é possível criar um ambiente de produção estável, reduzindo a frequência de calibração dos equipamentos e os custos de manutenção causados pela deformação térmica ambiental, além de garantir a operação estável a 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 de materiais e o controle de processos até a embalagem e os testes. O impacto da expansão térmica precisa ser rigorosamente considerado em cada etapa. As bases de granito, com seu coeficiente de expansão térmica ultrabaixo e outras excelentes propriedades, fornecem uma base física estável para a fabricação de semicondutores e se tornam uma importante garantia para impulsionar o desenvolvimento de processos de fabricação de chips rumo a uma maior precisão.
Data de publicação: 20 de maio de 2025