In der Halbleiterfertigung, die höchste Präzision erfordert, ist der Wärmeausdehnungskoeffizient einer der wichtigsten Parameter, der die Produktqualität und Produktionsstabilität beeinflusst. Während des gesamten Prozesses – von der Fotolithografie über das Ätzen bis hin zur Verpackung – können unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten die Fertigungsgenauigkeit auf vielfältige Weise beeinträchtigen. Granit als Basis mit seinem extrem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten ist jedoch der Schlüssel zur Lösung dieses Problems.
Lithografieprozess: Thermische Verformung verursacht Musterabweichung
Die Fotolithografie ist ein zentraler Schritt in der Halbleiterherstellung. Mithilfe einer Fotolithografiemaschine werden die Schaltungsmuster der Maske auf die mit Fotolack beschichtete Oberfläche des Wafers übertragen. Während dieses Prozesses sind das Wärmemanagement innerhalb der Fotolithografiemaschine und die Stabilität des Arbeitstisches von entscheidender Bedeutung. Nehmen wir herkömmliche Metallmaterialien als Beispiel. Ihr Wärmeausdehnungskoeffizient beträgt ca. 12 × 10⁻⁶/℃. Während des Betriebs der Fotolithografiemaschine führt die von der Laserlichtquelle, den optischen Linsen und den mechanischen Komponenten erzeugte Wärme zu einem Anstieg der Gerätetemperatur um 5–10 °C. Wenn der Arbeitstisch der Lithografiemaschine einen Metallsockel verwendet, kann ein ein Meter langer Sockel eine Ausdehnungsverformung von 60–120 μm verursachen, was zu einer Verschiebung der relativen Position zwischen Maske und Wafer führt.
In modernen Fertigungsprozessen (wie 3 nm und 2 nm) beträgt der Transistorabstand nur wenige Nanometer. Schon eine so geringe thermische Verformung kann zu einer Fehlausrichtung des fotolithografischen Musters führen, was zu anormalen Transistorverbindungen, Kurzschlüssen oder Unterbrechungen und anderen Problemen führt und direkt zu Funktionsstörungen des Chips führt. Der Wärmeausdehnungskoeffizient der Granitbasis beträgt lediglich 0,01 μm/°C (d. h. (1-2) × 10⁻⁶/℃), und die Verformung bei der gleichen Temperaturänderung beträgt nur 1/10–1/5 der von Metall. Sie bietet eine stabile, tragende Plattform für die Fotolithografiemaschine, gewährleistet die präzise Übertragung des Fotolithografiemusters und verbessert die Ausbeute der Chipherstellung deutlich.
Ätzen und Abscheiden: Beeinflussen die Maßgenauigkeit der Struktur
Ätzen und Abscheiden sind die wichtigsten Prozesse für den Aufbau dreidimensionaler Schaltungsstrukturen auf der Waferoberfläche. Während des Ätzprozesses reagiert das reaktive Gas chemisch mit dem Oberflächenmaterial des Wafers. Gleichzeitig erzeugen Komponenten wie die HF-Stromversorgung und die Gasflussregelung im Inneren des Geräts Wärme, wodurch die Temperatur des Wafers und der Gerätekomponenten ansteigt. Stimmt der Wärmeausdehnungskoeffizient des Waferträgers oder der Gerätebasis nicht mit dem des Wafers überein (der Wärmeausdehnungskoeffizient von Siliziummaterial beträgt etwa 2,6 × 10⁻⁶/℃), entstehen bei Temperaturänderungen thermische Spannungen, die zu winzigen Rissen oder Verwerfungen auf der Waferoberfläche führen können.
Diese Art der Verformung beeinträchtigt die Ätztiefe und die Vertikalität der Seitenwand, wodurch die Abmessungen der geätzten Rillen, Durchgangslöcher und anderer Strukturen von den Konstruktionsanforderungen abweichen. Ebenso kann der Unterschied in der Wärmeausdehnung bei der Dünnschichtabscheidung zu inneren Spannungen in der abgeschiedenen Dünnschicht führen, was zu Problemen wie Rissbildung und Ablösen der Schicht führt und die elektrische Leistung und die langfristige Zuverlässigkeit des Chips beeinträchtigt. Die Verwendung von Granitbasen mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten ähnlich dem von Siliziummaterialien kann die thermische Spannung effektiv reduzieren und die Stabilität und Genauigkeit der Ätz- und Abscheidungsprozesse gewährleisten.
Verpackungsphase: Thermische Fehlanpassung verursacht Zuverlässigkeitsprobleme
Bei der Halbleiterverpackung ist die Kompatibilität der Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Chip und Verpackungsmaterial (wie Epoxidharz, Keramik usw.) von entscheidender Bedeutung. Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Silizium, dem Kernmaterial von Chips, ist relativ niedrig, während der der meisten Verpackungsmaterialien relativ hoch ist. Ändert sich die Temperatur des Chips während des Betriebs, kommt es aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu thermischen Spannungen zwischen Chip und Verpackungsmaterial.
Diese thermische Belastung kann unter der Einwirkung wiederholter Temperaturzyklen (wie z. B. Erhitzen und Abkühlen während des Chipbetriebs) zu Ermüdungsrissen an den Lötstellen zwischen Chip und Gehäusesubstrat führen oder dazu, dass die Bonddrähte auf der Chipoberfläche abfallen, was letztlich zum Ausfall der elektrischen Verbindung des Chips führt. Durch die Wahl von Gehäusesubstratmaterialien mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten nahe dem von Siliziummaterialien und die Verwendung von Granit-Testplattformen mit ausgezeichneter thermischer Stabilität zur Genauigkeitserkennung während des Gehäuseprozesses kann das Problem der thermischen Fehlanpassung wirksam reduziert, die Zuverlässigkeit des Gehäuses verbessert und die Lebensdauer des Chips verlängert werden.
Produktionsumgebungskontrolle: Die koordinierte Stabilität von Anlagen und Fabrikgebäuden
Der Wärmeausdehnungskoeffizient beeinflusst nicht nur den Herstellungsprozess, sondern auch die gesamte Umgebungskontrolle in Halbleiterfabriken. In großen Halbleiterproduktionshallen können Faktoren wie das Ein- und Ausschalten von Klimaanlagen und die Wärmeableitung von Gerätegruppen zu Schwankungen der Umgebungstemperatur führen. Ist der Wärmeausdehnungskoeffizient von Fabrikboden, Gerätebasen und anderer Infrastruktur zu hoch, führen langfristige Temperaturschwankungen zu Rissen im Boden und Verschiebungen des Gerätefundaments. Dies beeinträchtigt die Genauigkeit von Präzisionsgeräten wie Fotolithografie- und Ätzmaschinen.
Durch die Verwendung von Granitsockeln als Geräteträger und deren Kombination mit Fabrikbaumaterialien mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten kann eine stabile Produktionsumgebung geschaffen werden, wodurch die Häufigkeit der Gerätekalibrierung und die durch umgebungsbedingte thermische Verformung verursachten Wartungskosten reduziert und der langfristig stabile Betrieb der Halbleiterproduktionslinie sichergestellt wird.
Der Wärmeausdehnungskoeffizient beeinflusst den gesamten Lebenszyklus der Halbleiterherstellung – von der Materialauswahl über die Prozesssteuerung bis hin zu Verpackung und Prüfung. Die Auswirkungen der Wärmeausdehnung müssen in jedem Schritt genau berücksichtigt werden. Granitsockel mit ihrem extrem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und anderen hervorragenden Eigenschaften bieten eine stabile physikalische Grundlage für die Halbleiterherstellung und sind ein wichtiger Garant für die Weiterentwicklung präziser Chipherstellungsprozesse.
Veröffentlichungszeit: 20. Mai 2025