Dans le domaine de la fabrication des semi-conducteurs, où la précision est primordiale, le coefficient de dilatation thermique est un paramètre essentiel qui influe sur la qualité des produits et la stabilité de la production. Tout au long du processus, de la photolithographie à la gravure et à l'encapsulation, les différences de coefficients de dilatation thermique des matériaux peuvent affecter la précision de fabrication de diverses manières. Cependant, le socle en granit, grâce à son coefficient de dilatation thermique extrêmement faible, s'est révélé être la solution à 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 de circuits présents sur le masque sont transférés à la surface de la plaquette recouverte de résine photosensible. Durant ce processus, la gestion thermique interne de la machine et la stabilité de la table de travail sont primordiales. Prenons l'exemple des matériaux métalliques traditionnels. Leur coefficient de dilatation thermique est d'environ 12 × 10⁻⁶/°C. Lors du fonctionnement de la machine, la chaleur générée par la source laser, les lentilles optiques et les composants mécaniques entraîne une élévation de température de 5 à 10 °C. Si la table de travail repose sur un socle métallique d'un mètre de long, ce socle peut engendrer une déformation de 60 à 120 µm, provoquant un décalage entre le masque et la plaquette.
Dans les procédés de fabrication avancés (tels que 3 nm et 2 nm), l'espacement entre les transistors n'est que de quelques nanomètres. Une déformation thermique aussi infime suffit à provoquer un désalignement du motif de photolithographie, entraînant des connexions anormales des transistors, des courts-circuits ou des circuits ouverts, et d'autres problèmes, ce qui conduit directement à une défaillance des fonctions de la puce. Le coefficient de dilatation thermique du socle en granit est aussi faible que 0,01 µm/°C (soit (1-2) × 10⁻⁶/°C), et la déformation sous une même variation de température est seulement 10 à 1/5 de celle du métal. Il peut fournir une plateforme porteuse stable pour la machine de photolithographie, assurant le transfert précis du motif de photolithographie 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 les procédés clés pour la construction de structures de circuits tridimensionnelles sur la surface de la plaquette. Lors de la gravure, le gaz réactif subit une réaction chimique avec le matériau de surface de la plaquette. Parallèlement, des composants tels que l'alimentation RF et le système de contrôle du flux de gaz à l'intérieur de l'équipement génèrent de la chaleur, ce qui entraîne une élévation de la température de la plaquette et des composants de l'équipement. Si le coefficient de dilatation thermique du support de plaquette ou du socle de l'équipement diffère de celui de la plaquette (le coefficient de dilatation thermique du silicium est d'environ 2,6 × 10⁻⁶/°C), des contraintes thermiques apparaissent lors des variations de température, pouvant provoquer de minuscules fissures ou des déformations à la surface de la plaquette.
Ce type de déformation affecte la profondeur de gravure et la verticalité de la paroi latérale, ce qui entraîne des écarts entre les dimensions des rainures gravées, des trous traversants et autres structures et les spécifications de conception. De même, lors du dépôt de couches minces, la différence de dilatation thermique peut engendrer des contraintes internes dans la couche déposée, provoquant des problèmes tels que la fissuration et le décollement, ce qui affecte les performances électriques et la fiabilité à long terme de la puce. L'utilisation de supports en granit, dont le coefficient de dilatation thermique est similaire à celui du silicium, permet de réduire efficacement les contraintes thermiques et d'assurer la stabilité et la précision des processus de gravure et de dépôt.
Étape d'emballage : Un déséquilibre thermique engendre des problèmes de fiabilité
Lors de l'étape d'encapsulation des semi-conducteurs, la compatibilité des coefficients de dilatation thermique entre la puce et le matériau d'encapsulation (résine époxy, céramique, etc.) est primordiale. 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 en cours d'utilisation, des contraintes thermiques apparaissent entre la puce et le matériau d'encapsulation en raison de cette différence de coefficients de dilatation thermique.
Ces contraintes thermiques, dues aux cycles de température répétés (tels que le chauffage et le refroidissement pendant le fonctionnement de la puce), peuvent entraîner la fissuration par fatigue des joints de soudure entre la puce et le substrat d'encapsulation, ou le décollement des fils de connexion à la surface de la puce, aboutissant finalement à une défaillance de la connexion électrique. 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 à excellente stabilité thermique pour un contrôle précis lors du processus d'encapsulation, le problème de l'inadéquation thermique peut être efficacement réduit, la fiabilité de l'encapsulation améliorée et la durée de vie de la puce 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 influe également sur la maîtrise de l'environnement dans les 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 de chaleur des équipements peuvent engendrer des fluctuations de température ambiante. Si le coefficient de dilatation thermique du sol, des socles d'équipements et des autres infrastructures est trop élevé, les variations de température à long terme peuvent provoquer des fissures dans le sol et des déformations des fondations, affectant ainsi la précision des équipements de précision tels que les machines de photolithographie et les machines de gravure.
L'utilisation de socles en granit comme supports d'équipement, combinée à des matériaux de construction d'usine à faible coefficient de dilatation thermique, permet de créer un environnement de production stable, réduisant ainsi la fréquence des opérations d'étalonnage et les coûts de maintenance des équipements dus aux déformations thermiques environnementales, et garantissant le fonctionnement stable à long terme de la ligne de production de semi-conducteurs.
Le coefficient de dilatation thermique intervient tout au long du cycle de vie de la fabrication des semi-conducteurs, depuis le choix des matériaux et le contrôle des procédés jusqu'au conditionnement et aux tests. Son impact doit être rigoureusement pris en compte à chaque étape. Les socles en granit, grâce à leur coefficient de dilatation thermique extrêmement faible et à leurs autres excellentes propriétés, offrent une base physique stable pour la fabrication des semi-conducteurs et constituent un atout majeur pour le développement de procédés de fabrication de puces toujours plus précis.
Date de publication : 20 mai 2025