Dans le domaine de la fabrication de semi-conducteurs, qui recherche une précision extrême, le coefficient de dilatation thermique est l'un des paramètres clés qui influencent la qualité du produit et la stabilité de la production. Tout au long du processus, de la photolithographie à la gravure en passant par le conditionnement, les différences de coefficients de dilatation thermique des matériaux peuvent perturber la précision de fabrication de diverses manières. Cependant, le support en granit, avec son coefficient de dilatation thermique ultra-faible, est devenu la solution idéale pour résoudre ce problème.
Procédé de lithographie : la déformation thermique provoque une déviation du motif
La photolithographie est une étape essentielle de la fabrication des semi-conducteurs. Grâce à une machine de photolithographie, les motifs du circuit imprimé sur le masque sont transférés sur la surface du wafer recouvert de résine photosensible. Au cours de ce processus, la gestion thermique à l'intérieur de la machine et la stabilité de la table de travail sont cruciales. Prenons l'exemple des matériaux métalliques traditionnels : leur coefficient de dilatation thermique est d'environ 12×10⁻⁶/℃. Pendant le fonctionnement de la machine de photolithographie, la chaleur générée par la source lumineuse laser, les lentilles optiques et les composants mécaniques entraîne une augmentation de la température de l'équipement de 5 à 10 ℃. Si la table de travail de la machine de lithographie utilise une base métallique, une base d'un mètre de long peut provoquer une déformation de 60 à 120 μm, ce qui entraîne un décalage de la position relative du masque par rapport au wafer.
Dans les procédés de fabrication avancés (tels que 3 nm et 2 nm), l'espacement des transistors n'est que de quelques nanomètres. Une déformation thermique aussi infime suffit à désaligner le motif de photolithographie, ce qui entraîne des connexions anormales des transistors, des courts-circuits ou des circuits ouverts, ainsi que d'autres problèmes, entraînant directement la défaillance des puces. Le coefficient de dilatation thermique de la base en granit est aussi faible que 0,01 μm/°C (soit (1-2) × 10⁻⁶/℃), et la déformation sous la même variation de température n'est que de 1/10 à 1/5 de celle du métal. Elle constitue une plateforme porteuse stable pour la machine de photolithographie, garantissant un transfert précis du motif et améliorant considérablement le rendement de fabrication des puces.
Gravure et dépôt : affectent la précision dimensionnelle de la structure
La gravure et le dépôt sont des procédés clés pour la construction de circuits tridimensionnels à la surface du wafer. Lors de la gravure, le gaz réactif subit une réaction chimique avec le matériau de surface du wafer. Parallèlement, des composants tels que l'alimentation RF et le contrôle du flux de gaz à l'intérieur de l'équipement génèrent de la chaleur, entraînant une augmentation de la température du wafer et des composants de l'équipement. Si le coefficient de dilatation thermique du support de wafer ou de la base de l'équipement ne correspond pas à celui du wafer (le coefficient de dilatation thermique du silicium est d'environ 2,6 × 10⁻⁶/℃), des contraintes thermiques se produisent lors des variations de température, ce qui peut provoquer de minuscules fissures ou des déformations à la surface du wafer.
Ce type de déformation affecte la profondeur de gravure et la verticalité de la paroi latérale, ce qui entraîne un écart entre les dimensions des rainures gravées, des trous traversants et des autres structures et les exigences de conception. De même, lors du dépôt de couches minces, la différence de dilatation thermique peut entraîner des contraintes internes dans la couche mince déposée, entraînant des problèmes tels que la fissuration et le décollement de la couche, affectant ainsi les performances électriques et la fiabilité à long terme de la puce. L'utilisation de bases en granit avec un coefficient de dilatation thermique similaire à celui du silicium permet de réduire efficacement les contraintes thermiques et de garantir la stabilité et la précision des processus de gravure et de dépôt.
Étape de conditionnement : l'inadéquation thermique entraîne des problèmes de fiabilité
Lors de l'encapsulation des semi-conducteurs, la compatibilité des coefficients de dilatation thermique entre la puce et le matériau d'encapsulation (comme la résine époxy, la céramique, etc.) est essentielle. Le coefficient de dilatation thermique du silicium, matériau de base des puces, est relativement faible, tandis que celui de la plupart des matériaux d'encapsulation est relativement élevé. Lorsque la température de la puce varie pendant son utilisation, une contrainte thermique se produit entre la puce et le matériau d'encapsulation en raison de la disparité des coefficients de dilatation thermique.
Cette contrainte thermique, sous l'effet de cycles de température répétés (tels que le chauffage et le refroidissement pendant le fonctionnement de la puce), peut entraîner des fissures de fatigue des soudures entre la puce et le substrat de l'encapsulation, ou la chute des fils de liaison à la surface de la puce, entraînant à terme la défaillance de la connexion électrique de la puce. En choisissant des matériaux de substrat d'encapsulation dont le coefficient de dilatation thermique est proche de celui du silicium et en utilisant des plateformes de test en granit offrant une excellente stabilité thermique pour une détection précise pendant le processus d'encapsulation, le problème de discordance thermique peut être efficacement réduit, la fiabilité de l'encapsulation peut être améliorée et la durée de vie de la puce peut être prolongée.
Contrôle de l'environnement de production : la stabilité coordonnée des équipements et des bâtiments de l'usine
Outre son impact direct sur le processus de fabrication, le coefficient de dilatation thermique est également lié au contrôle environnemental global des usines de semi-conducteurs. Dans les grands ateliers de production de semi-conducteurs, des facteurs tels que le démarrage et l'arrêt des systèmes de climatisation et la dissipation thermique des groupes d'équipements peuvent entraîner des fluctuations de la température ambiante. Si le coefficient de dilatation thermique de l'atelier, des socles d'équipements et des autres infrastructures est trop élevé, les variations de température à long terme provoqueront des fissures dans le sol et des déplacements des fondations, affectant ainsi la précision des équipements de précision tels que les machines de photolithographie et de gravure.
En utilisant des bases en granit comme supports d'équipement et en les combinant avec des matériaux de construction d'usine à faibles coefficients de dilatation thermique, un environnement de production stable peut être créé, réduisant la fréquence d'étalonnage des équipements et les coûts de maintenance causés par la déformation thermique de l'environnement, et garantissant le fonctionnement stable à long terme de la ligne de production de semi-conducteurs.
Le coefficient de dilatation thermique influence l'ensemble du cycle de fabrication des semi-conducteurs, du choix des matériaux au contrôle des procédés, en passant par le conditionnement et les tests. L'impact de la dilatation thermique doit être rigoureusement pris en compte à chaque étape. Les bases en granit, avec leur coefficient de dilatation thermique ultra-faible et leurs excellentes propriétés, offrent une base physique stable pour la fabrication des semi-conducteurs et constituent un gage important pour le développement des procédés de fabrication de puces vers une plus grande précision.
Date de publication : 20 mai 2025