In der Halbleiterfertigung bestimmt die Genauigkeit der Wafer-Inspektionsgeräte direkt die Qualität und Ausbeute der Chips. Als Grundlage für die zentralen Detektionskomponenten spielt die Dimensionsstabilität des Gerätegrundmaterials eine entscheidende Rolle für die langfristige Betriebsleistung 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 Erkennungsgenauigkeit. Selbst eine Maßabweichung im Mikrometerbereich kann zu einer Verschlechterung der Chipleistung oder sogar zur Verschrottung führen. Um die Maßstabilität von Granit und Gusseisen im Langzeitgebrauch zu untersuchen, entwickelte das Forschungsteam Experimente, die reale Arbeitsumgebungen simulierten. Granit- und Gusseisenproben derselben 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 % relativer Luftfeuchtigkeit schwankte. Die mechanischen Vibrationen während des Betriebs der Geräte wurden mit einem Vibrationstisch 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 kaum auf Feuchtigkeitsschwankungen, 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, wodurch die hohen Präzisionsanforderungen der Waferprüfung nur schwer erfüllt werden können.
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 Faktoren wie Temperatur, Feuchtigkeit und Vibration. Gusseisen wird im Gussverfahren hergestellt und weist im Inneren mikroskopische Defekte wie Poren und Sandlöcher auf. Die beim Gussprozess entstehenden Eigenspannungen neigen dazu, unter Einfluss der äußeren Umgebung Maßänderungen zu verursachen. Aufgrund seiner metallischen Eigenschaften neigt Gusseisen zur Rostbildung durch Feuchtigkeit, was die Strukturschäden beschleunigt und die Maßstabilität verringert.
Die Auswirkungen auf Wafer-Inspektionsgeräte
Wafer-Inspektionsgeräte auf Basis von Granitsubstraten gewährleisten dank ihrer stabilen Dimensionsleistung eine lange Lebensdauer der hohen 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 geringen Dimensionsstabilität häufige Kalibrierung und Wartung. Dies erhöht nicht nur die Betriebskosten, sondern kann aufgrund unzureichender 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