Les 6 raisons principales pour lesquelles l'industrie des semi-conducteurs dépend fortement des socles de précision en granit
Les procédés avancés de fabrication de semi-conducteurs (lithographie 7 nm/3 nm/EUV, inspection des plaquettes, stations de test, métrologie optique) exigent une précision de positionnement de l'ordre du nanomètre. Les matériaux métalliques (acier, fonte, aluminium) ne peuvent pas résister à des conditions de fonctionnement extrêmes. Le granit, grâce à ses propriétés physiques naturelles uniques et complètes, est devenu une base de référence incontournable. Ses principaux avantages sont les suivants :
I. Coefficient de dilatation thermique extrêmement faible, éliminant ainsi toute dérive de précision de l'ordre du nanomètre due aux variations de température
Le coefficient de dilatation thermique linéaire du granit n'est que de 2,5 à 8 × 10⁻⁶/℃, soit seulement un tiers de celui de la fonte ou de l'acier et un cinquième de celui des alliages d'aluminium ;
Une plate-forme en granit de 1 mètre se déforme de moins de 0,5 μm sous l'effet d'une différence de température de 1 °C, alors qu'une base métallique se déforme de 3 à 8 μm dans les mêmes conditions ;
Les moteurs et les sources lumineuses des équipements utilisés dans les usines de fabrication de plaquettes génèrent en permanence de la chaleur, et les salles blanches présentent de légers gradients de température. Même une déformation de 1 nm peut entraîner des erreurs de superposition lithographique et une forte baisse du rendement des contrôles. Le granit permet de limiter au maximum la dilatation et la contraction thermiques, garantissant ainsi la stabilité à long terme du chemin optique et de la plate-forme à paliers à air de référence.
II. Amortissement naturel ultra-efficace des vibrations, isolant l'atelier des interférences dues aux micro-vibrations
La structure cristalline dense du granit, qui s’est formée au cours de centaines de millions d’années, permet aux frottements internes au niveau des interfaces cristallines de dissiper rapidement l’énergie vibratoire, avec un coefficient d’amortissement bien supérieur à celui des métaux ; les vibrations de l’acier, quant à elles, continuent de “ résonner ” et de se propager, les vibrations faibles s’amplifiant sans cesse ;
Les pompes à vide, les modules de transmission, la circulation piétonne au sol et les ventilateurs de l'atelier génèrent tous des microvibrations à basse fréquence comprises entre 1 et 100 Hz. Les machines de lithographie tolèrent une vitesse de vibration du substrat inférieure à 10 μm/s ; la haute densité et le fort amortissement du granit, associés à des isolateurs à ressorts pneumatiques, permettent de réduire le taux de transmission des vibrations à un niveau extrêmement bas, évitant ainsi les décalages des motifs d’exposition des plaquettes et les dérives des points d’inspection optique ;
Les moteurs linéaires à paliers à air, les lentilles optiques et les interféromètres dépendent entièrement de la stabilité de la base ; les vibrations compromettent directement la précision de positionnement à l'échelle nanométrique.
III. Des centaines de millions d'années de vieillissement naturel, aucune contrainte interne, aucune déformation à long terme
Le granit a subi des centaines de millions d'années de libération des contraintes géologiques sous terre ; il ne présente donc pratiquement aucun fluage, aucune déformation due au vieillissement ni aucune fatigue métallique à sa sortie d'usine ; la fonte et l'acier, quant à eux, se déforment lentement et leur précision se dégrade d'année en année lorsqu'ils sont soumis à des charges prolongées ;
Données du secteur : une base en granit utilisée pendant 15 ans ne subit qu'une variation annuelle de planéité de 0,1 à 0,3 μm ; une base métallique présentera quant à elle une déformation de l'ordre du micromètre au bout de 2 à 3 ans, ce qui ne répond pas aux exigences de haute précision des équipements pour semi-conducteurs, qui doivent fonctionner pendant 5 à 10 ans ;
Les châssis intégrés en granit de très grandes dimensions (portique de machine de lithographie, plates-formes d'inspection de l'ordre de 6 mètres) garantissent une surface de référence stable, même sous des charges prolongées et soumis à des cycles thermiques jour-nuit.
IV. Entièrement non magnétique et non conducteur, ce qui permet d'éviter les interférences électromagnétiques (une exigence fondamentale pour les semi-conducteurs)
L'acier et la fonte sont des matériaux ferromagnétiques qui interfèrent avec les faisceaux d'électrons, les réseaux de diffraction laser, les capteurs à effet Hall et les têtes de lecture de déplacement de haute précision, ce qui entraîne des erreurs de mesure et du bruit dans les circuits ;
Le granit est un matériau non métallique, non magnétique et non conducteur. Il permet d’isoler les interférences électromagnétiques (EMI) générées par les moteurs des équipements internes et les alimentations RF, protégeant ainsi les signaux faibles des systèmes optiques de lithographie et des sondes de plaquettes. Il s’agit d’une exigence obligatoire pour les équipements d’inspection EUV et à faisceau d’électrons ;
Il est compatible avec les plateformes de mouvement à lévitation magnétique et à paliers à air non magnétiques, sans générer de contamination supplémentaire par champ magnétique pour les plaquettes.
V. Dureté extrêmement élevée, résistance à l'usure et à la corrosion ; convient aux environnements propres des ateliers sans poussière
Dureté Mohs de 6 à 7, supérieure à celle de l'acier ; le frottement prolongé causé par les glissières, les plaques de base et les fixations ne provoque pas d'empreintes, et le plan de référence conserve en permanence une planéité de l'ordre du micron ou du sous-micron ;
Absorption d'eau < 0,11 TP3T, résistant aux acides et aux alcalis, antirouille et résistant à l'oxydation ; les photorésines, les produits de nettoyage et les pulvérisations d'eau pure dans les salles blanches dédiées aux plaquettes ne corrodent pas la surface ;
La surface peut être polie jusqu'à obtenir un fini miroir avec un Ra < 0,005 μm ; elle est exempte de pores et résistante à l'accumulation de poussière, adaptée aux salles blanches de classe 100/10, facile à nettoyer et à entretenir, et ne génère pas de pollution par poussière métallique provenant des copeaux.
VI. Grande rigidité, permettant un usinage de précision intégré, adapté à l'intégration de modules ultra-précis
Module d'élasticité élevé ; à poids égal, sa résistance à la flexion et à la déformation dépasse de loin celle de la fonte, avec une déformation minimale sous des charges importantes ;
Peut être fraisé et rectifié d'un seul tenant avec des trous filetés, des fentes d'aspiration sous vide, des repères de montage pour les guidages à coussin d'air et des fentes de référence optiques ; l'ensemble de l'équipement partage la même référence, garantissant ainsi une planéité, une perpendicularité et un parallélisme uniformes ;
Capable d'assurer un traitement stable des plateformes de très haute précision de classe 000 (planéité sur 1 mètre ≤ 0,8 μm), servant de base d'appui standard pour les machines à mesurer tridimensionnelles (MMT), les instruments d'inspection optique 2,5D, les stations de test, les machines de lithographie et les équipements de réparation au laser.
Scénarios d'application typiques des semi-conducteurs
Équipements de lithographie : socle à portique en granit pour machines de lithographie EUV/ArF ;
Équipements de métrologie : profileurs de plaquettes, machines d'inspection optique des défauts, plateformes de microscopie à force atomique (AFM) ;
Équipements d'emballage : bases de mouvement de précision pour stations de test, machines de collage de puces et machines de soudure par fil ;
Laboratoires de contrôle qualité : plateformes de référence en granit de grade 00/000 (même système de matériaux que la plateforme en granit Dasqua que vous avez achetée).
Résumé comparatif (Pourquoi ne pas utiliser du métal ?)
Tableau
Performances du granit, de la fonte et de l'acier ; impact sur les semi-conducteurs
Dilatation thermique Extrêmement faible Les variations de température importantes provoquent des erreurs de l'ordre du nanomètre, ce qui réduit le rendement
Amortissement des vibrations : Excellent / Médiocre, sujet à la résonance. Les vibrations entraînent des décalages dans la répartition de l'exposition.
Déformation à long terme. Pratiquement aucune fluage. Se déforme chaque année. Précision de l'équipement perdue au bout de 2 à 3 ans.
Magnétisme Non magnétique Ferromagnétique Provoque des interférences avec les capteurs et les trajets optiques des faisceaux d'électrons
Résistance à l'usure et à la corrosion : excellente. Sensible aux rayures et à la rouille. Dommages de référence sur la surface, contamination des plaquettes par la poussière.
