In der Halbleiterfertigung bestimmt die Genauigkeit von Wafer-Inspektionsgeräten direkt die Qualität und Ausbeute der Chips. Als Grundlage für die zentralen Detektionskomponenten spielt die Dimensionsstabilität des Gerätegrundmaterials eine entscheidende Rolle für die langfristige Leistungsfähigkeit der Geräte. Granit und Gusseisen sind zwei häufig verwendete Grundmaterialien für Wafer-Inspektionsgeräte. Eine zehnjährige Vergleichsstudie hat die signifikanten Unterschiede zwischen diesen Materialien hinsichtlich der Dimensionsstabilität aufgezeigt und liefert wichtige Anhaltspunkte für die Geräteauswahl.
Experimenteller Hintergrund und Design
Der Produktionsprozess von Halbleiterwafern stellt extrem hohe Anforderungen an die Messgenauigkeit. Selbst Maßabweichungen im Mikrometerbereich können zu Leistungseinbußen oder sogar zur Verschrottung der Chips führen. Um die Dimensionsstabilität von Granit und Gusseisen im Langzeiteinsatz zu untersuchen, entwickelte das Forschungsteam Experimente, die reale Arbeitsumgebungen simulierten. Granit- und Gusseisenproben gleicher Spezifikation wurden ausgewählt und in eine Klimakammer gelegt, in der die Temperatur zwischen 15 °C und 35 °C und die Luftfeuchtigkeit zwischen 30 % und 70 % RH schwankte. Die mechanischen Vibrationen während des Gerätebetriebs wurden mithilfe eines Vibrationstisches simuliert. Die wichtigsten Abmessungen der Proben wurden vierteljährlich mit einem hochpräzisen Laserinterferometer gemessen und die Daten zehn Jahre lang kontinuierlich aufgezeichnet.
Versuchsergebnis: Der absolute Vorteil von Granit
Zehn Jahre experimentelle Daten zeigen, dass Granitsubstrate eine erstaunliche Stabilität aufweisen. Sein Wärmeausdehnungskoeffizient ist extrem niedrig und beträgt durchschnittlich nur 4,6 × 10⁻⁶/℃. Bei starken Temperaturschwankungen liegt die Maßabweichung stets innerhalb von ±0,001 mm. Aufgrund seiner dichten Struktur reagiert Granit auch bei Feuchtigkeitsschwankungen kaum, und es treten keine messbaren Maßänderungen auf. In Umgebungen mit mechanischen Vibrationen absorbieren die hervorragenden Dämpfungseigenschaften von Granit effektiv die Vibrationsenergie, und die Maßschwankungen sind äußerst gering.
Im Gegensatz dazu erreicht der durchschnittliche Wärmeausdehnungskoeffizient von Gusseisensubstraten 11 × 10⁻⁶/℃ – 13 × 10⁻⁶/℃, und die maximale Maßabweichung durch Temperaturänderungen innerhalb von 10 Jahren beträgt ±0,05 mm. In feuchter Umgebung neigt Gusseisen zu Rost und Korrosion. Einige Proben weisen lokale Verformungen auf, wodurch die Maßabweichung weiter zunimmt. Unter Einwirkung mechanischer Vibrationen weist Gusseisen eine schlechte Schwingungsdämpfung auf, und seine Größe schwankt häufig, was die Erfüllung der hochpräzisen Anforderungen der Waferprüfung erschwert.
Der wesentliche Grund für den Stabilitätsunterschied
Granit entstand über Hunderte von Millionen Jahren durch geologische Prozesse. Seine innere Struktur ist dicht und gleichmäßig, und die Mineralkristalle sind stabil angeordnet, wodurch innere Spannungen von Natur aus vermieden werden. Dadurch ist er äußerst unempfindlich gegenüber Veränderungen äußerer Einflüsse wie Temperatur, Feuchtigkeit und Vibrationen. Gusseisen wird im Gussverfahren hergestellt und weist mikroskopische Defekte wie Poren und Sandlöcher auf. Die beim Gussprozess entstehenden Eigenspannungen können unter äußeren Einflüssen zu Maßänderungen führen. Aufgrund seiner metallischen Eigenschaften neigt Gusseisen zu feuchtigkeitsbedingter Rostbildung, was Strukturschäden beschleunigt und die Maßstabilität verringert.
Die Auswirkungen auf Wafer-Inspektionsgeräte
Wafer-Inspektionsgeräte auf Basis von Granitsubstraten gewährleisten dank ihrer stabilen Dimensionsleistung eine dauerhaft hohe Präzision des Inspektionssystems, reduzieren Fehleinschätzungen und Fehlerkennungen aufgrund von Genauigkeitsabweichungen und verbessern die Produktausbeute deutlich. Der geringe Wartungsaufwand reduziert gleichzeitig die Gesamtkosten der Geräte über die gesamte Lebensdauer. Geräte mit Gusseisensubstraten erfordern aufgrund ihrer mangelnden Dimensionsstabilität häufige Kalibrierung und Wartung. Dies erhöht nicht nur die Betriebskosten, sondern kann aufgrund mangelnder Präzision auch die Qualität der Halbleiterproduktion beeinträchtigen und zu potenziellen wirtschaftlichen Verlusten führen.
Angesichts des Trends zur Steigerung der Präzision und Qualität in der Halbleiterindustrie ist die Wahl von Granit als Basismaterial für Wafer-Inspektionsgeräte zweifellos ein kluger Schachzug, um die Leistung der Geräte sicherzustellen und die Wettbewerbsfähigkeit der Unternehmen zu steigern.
Veröffentlichungszeit: 14. Mai 2025