Dans le domaine de la fabrication de semi-conducteurs, la précision des équipements d'inspection de plaquettes détermine directement la qualité et le rendement des puces. La stabilité dimensionnelle du matériau de base, qui constitue le socle des principaux composants de détection, joue un rôle crucial dans la performance opérationnelle à long terme de l'équipement. Le granit et la fonte sont deux matériaux de base couramment utilisés pour les équipements d'inspection de plaquettes. Une étude comparative menée sur 10 ans a révélé des différences significatives entre eux en termes de stabilité dimensionnelle, fournissant ainsi des références importantes pour le choix de l'équipement.
Contexte et conception expérimentaux
Le processus de fabrication des plaquettes de semi-conducteurs exige une précision de détection extrêmement élevée. Un écart dimensionnel de l'ordre du micromètre peut entraîner une baisse des performances de la puce, voire sa mise au rebut. Afin d'étudier la stabilité dimensionnelle du granit et de la fonte lors d'une utilisation prolongée, l'équipe de recherche a conçu des expériences simulant des conditions de travail réelles. Des échantillons de granit et de fonte de mêmes spécifications ont été sélectionnés et placés dans une enceinte climatique où la température fluctuait entre 15 °C et 35 °C et l'humidité relative entre 30 % et 70 %. Les vibrations mécaniques dues au fonctionnement de l'équipement ont été simulées à l'aide d'une table vibrante. Les dimensions principales des échantillons ont été mesurées chaque trimestre à l'aide d'un interféromètre laser de haute précision, et les données ont été enregistrées en continu pendant 10 ans.
Résultat expérimental : L’avantage absolu du granit
Dix années de données expérimentales démontrent l'étonnante stabilité du substrat en granit. Son coefficient de dilatation thermique est extrêmement faible, avec une moyenne de seulement 4,6 × 10⁻⁶/°C. Même sous l'effet de variations de température importantes, l'écart dimensionnel reste toujours inférieur à ±0,001 mm. Face aux variations d'humidité, la structure dense du granit le rend quasiment insensible, et aucune variation dimensionnelle mesurable n'est observée. En présence de vibrations mécaniques, les excellentes propriétés d'amortissement du granit absorbent efficacement l'énergie vibratoire, et la fluctuation dimensionnelle est extrêmement faible.
En revanche, pour le substrat en fonte, son coefficient de dilatation thermique moyen atteint 11 × 10⁻⁶/°C à 13 × 10⁻⁶/°C, et l'écart dimensionnel maximal dû aux variations de température sur 10 ans est de ±0,05 mm. En milieu humide, la fonte est sujette à la rouille et à la corrosion. Certains échantillons présentent des déformations locales, ce qui accentue l'écart dimensionnel. Sous l'effet des vibrations mécaniques, la fonte présente un faible amortissement et ses dimensions fluctuent fréquemment, ce qui rend difficile le respect des exigences de haute précision du contrôle des plaquettes.
La raison essentielle de la différence de stabilité
Le granite s'est formé sur des centaines de millions d'années par des processus géologiques. Sa structure interne est dense et uniforme, et ses cristaux minéraux sont agencés de manière stable, éliminant ainsi naturellement les contraintes internes. Cela le rend extrêmement insensible aux variations des facteurs externes tels que la température, l'humidité et les vibrations. La fonte, quant à elle, est fabriquée par moulage et présente des défauts microscopiques tels que des pores et des piqûres. Par ailleurs, les contraintes résiduelles générées lors du moulage sont susceptibles d'entraîner des variations dimensionnelles sous l'effet de l'environnement extérieur. Les propriétés métalliques de la fonte la rendent sensible à la corrosion due à l'humidité, ce qui accélère la dégradation de sa structure et réduit sa stabilité dimensionnelle.
L'impact sur les équipements d'inspection des plaquettes
Les équipements d'inspection de plaquettes à substrat en granit, grâce à leur stabilité dimensionnelle, garantissent une haute précision du système d'inspection sur le long terme, réduisent les erreurs d'interprétation et les défauts de détection dus à la dérive de précision, et améliorent significativement le rendement de production. De plus, leurs faibles besoins de maintenance diminuent le coût total de possession. À l'inverse, les équipements utilisant des substrats en fonte, du fait de leur faible stabilité dimensionnelle, nécessitent des étalonnages et une maintenance fréquents. Ceci augmente non seulement les coûts d'exploitation, mais peut également affecter la qualité de la production de semi-conducteurs en raison d'une précision insuffisante, entraînant ainsi des pertes économiques potentielles.
Dans le contexte de la recherche constante d'une précision et d'une qualité accrues par l'industrie des semi-conducteurs, le choix du granit comme matériau de base pour les équipements d'inspection de plaquettes est sans aucun doute une décision judicieuse pour garantir les performances des équipements et renforcer la compétitivité des entreprises.
Date de publication : 14 mai 2025