Petite empreinte, grand potentiel :comment les vannes ALD améliorées catalyseront le succès des semi-conducteurs

Une nouvelle vanne. Trois raisons pour lesquelles cela pourrait changer la fabrication de semi-conducteurs.

Matt Ferraro, chef de produit, semi-conducteur

Le marché des semi-conducteurs n'est pas facile à naviguer. Les fabricants de plaquettes de semi-conducteurs sont soumis à une pression constante pour maintenir une précision maximale dans des processus très complexes qui impliquent des matériaux coûteux, des gaz corrosifs et des températures extrêmes. Il y a peu de place à l'erreur, surtout compte tenu de la contrainte supplémentaire de suivre la concurrence et de l'évolution rapide des exigences technologiques.

Les équipementiers d'outils pour semi-conducteurs sont soumis à une pression similaire. Ils travaillent en permanence pour améliorer l'efficacité de leurs outils et différencier leurs conceptions de produits de celles de leurs concurrents afin que les clients puissent en faire plus en moins de temps sans sacrifier la qualité. Peut-être plus important encore, ils doivent également constamment regarder vers l'avenir, trouver des moyens de permettre aux fabricants d'optimiser leurs processus et leurs intrants (tels que les nouveaux gaz précurseurs) alors qu'ils se précipitent pour inaugurer la prochaine génération de technologie de puce.

Pendant des années, les fabricants de semi-conducteurs ont considéré l'optimisation des processus de dépôt de couche atomique (ALD) comme essentielle au succès de leurs activités. Les vannes à ultra haute pureté (UHP) sont essentielles à ces processus et sont hautement conçues pour fournir des doses précises de gaz pendant le processus de dépôt utilisé pour créer des puces semi-conductrices. Bien que des composants relativement petits, ces vannes ont un impact énorme sur le succès ou l'échec du processus de construction de puces.

Les vannes UHP utilisées dans les processus ALD sont assez avancées par rapport aux vannes que l'on trouve couramment dans les applications industrielles générales, mais les fabricants de semi-conducteurs se sont toujours retrouvés à rechercher des performances plus élevées en ce qui concerne des facteurs tels que la stabilité thermique et la capacité de débit ces derniers temps. Les capacités des vannes ALD n'ont pas radicalement changé depuis de nombreuses années, mais il est évident que des changements sont nécessaires si l'industrie des semi-conducteurs veut atteindre de nouveaux niveaux d'innovation et de productivité.

Reconnaître les possibilités d'amélioration

Stabilité thermique

Les vannes UHP doivent être chauffées à des températures élevées pendant le processus ALD pour empêcher les gaz à faible pression de vapeur de se solidifier prématurément. Cependant, les actionneurs des vannes à membrane UHP existantes ne peuvent souvent pas être complètement immergés dans la boîte à gaz et doivent être thermiquement isolés pour maintenir leur fonctionnalité. Cela peut entraîner une différence de température entre les différents composants de la vanne. Lorsque cela se produit, un refroidissement des gaz transmis peut se produire, comme le montre la figure 1, avec différentes couleurs représentant des températures variables.

Ceci est particulièrement problématique lors de l'utilisation de précurseurs qui nécessitent une stabilité de température précise pour rester à l'état gazeux avant le dépôt, ce qui entraîne une accumulation de résidus indésirables conduisant à un dosage incohérent. Compte tenu de l'importance de la répétabilité sur le marché des semi-conducteurs, l'élimination de tout potentiel de variance ou d'incohérence serait bien accueillie par beaucoup.

Débit

Un autre défi majeur pour les équipementiers et les fabricants d'outils pour semi-conducteurs est la capacité de débit limitée des vannes UHP existantes adaptées aux processus ALD. Alors que les vannes à membrane UHP existantes offrent des débits généralement acceptables jusqu'à présent, ces débits peuvent diminuer au fur et à mesure que la vanne est chauffée. L'augmentation des capacités de débit des vannes pourrait augmenter la vitesse à laquelle les fabricants peuvent produire des tranches de semi-conducteurs - ou du moins pourrait leur permettre une plus grande flexibilité de processus pour assurer la stabilité de leurs gaz précurseurs - augmentant potentiellement les revenus du processus.

Capacité à expérimenter

Bien qu'il existe de nombreux défis inhérents à la fabrication de semi-conducteurs aujourd'hui, il est également nécessaire d'expérimenter de nouveaux processus et supports qui peuvent offrir un avantage concurrentiel demain.

Il est possible pour les fabricants d'améliorer la technologie actuelle des micropuces et les processus ALD en utilisant de nouveaux gaz précurseurs hautement réactifs, mais la technologie de vanne ALD existante ne fournit pas actuellement le débit constamment élevé nécessaire pour éviter la chute de pression à travers la vanne, ce qui peut faire changer d'état les gaz à faible pression de vapeur. La figure 2 illustre l'impact du débit sur la chute de pression dans trois vannes différentes.

Les fabricants peuvent ralentir suffisamment le débit dans leur processus pour atteindre la faible chute de pression requise pour utiliser ces gaz précurseurs à faible pression de vapeur, mais cela n'est généralement pas économiquement viable en raison de la baisse requise de l'efficacité globale du système. Les améliorations de la technologie des vannes UHP seront la clé pour aider les fabricants de semi-conducteurs à découvrir la prochaine étape sans sacrifier la durabilité financière.

Trois défis, une solution

La bonne nouvelle est que la prochaine génération de vannes ALD arrive sur le marché, et leurs améliorations de conception par rapport à la technologie de vanne ALD existante sont très prometteuses pour l'avenir de la fabrication de micropuces. Voici trois raisons d'avoir une attitude positive.

1. Les vannes sont totalement immersibles dans la boîte à gaz.

Dans une application où la cohérence est essentielle, il y a désormais moins de risques d'incohérences d'accumulation ou de dépôt par rapport aux processus ALD actuels. La conception des nouvelles vannes ALD permet de chauffer l'ensemble de la vanne jusqu'à 200 °C (392 °F), car l'actionneur n'a pas besoin d'être isolé pour maintenir son intégrité ou sa précision de dosage. Cela signifie que les fabricants de semi-conducteurs peuvent être sûrs que les gaz circulant dans les vannes ALD de nouvelle génération seront exposés à une température uniforme, ce qui éliminera un certain degré de variabilité du processus. La figure 3 montre un état idéal de stabilité thermique, par rapport à la figure 1 avec ses températures variées.

2. Les débits peuvent être beaucoup plus élevés.

Les leaders de l'industrie des semi-conducteurs peuvent désormais atteindre les débits plus élevés qu'ils ont recherchés sans avoir à faire de compromis sur la propreté ou la longévité des composants. Alors que les vannes existantes peuvent offrir un coefficient de débit de 0,6 Cv, les nouvelles vannes peuvent offrir le double du débit (1,2 Cv) dans la même empreinte (1,5 po), permettant aux fabricants d'outils de fournir une plus grande sortie sans nécessiter de réoutillage ou d'autres changements de processus importants. Si, toutefois, un fabricant a la possibilité de mettre en œuvre de nouvelles vannes ALD avec un encombrement légèrement plus grand (1,75 pouce), il peut presque tripler le débit des vannes ALD existantes, atteignant des coefficients de débit allant jusqu'à 1,7 Cv.

Ces améliorations substantielles de la capacité de débit sont rendues possibles par les nouvelles vannes ALD dotées d'une conception à soufflet plutôt qu'une conception à membrane traditionnelle. Les vannes à soufflet sont capables de débits plus élevés, et les soufflets à l'intérieur des nouvelles vannes ALD sont hautement polis à une finition Ra de 5 μin pour atteindre les performances UHP que les fabricants attendent des vannes à membrane actuellement utilisées sur le marché. Dans la figure 4, vous pouvez voir le soufflet présenté au centre de la vanne. La nouvelle conception combine les meilleures caractéristiques des deux technologies de vannes en une seule vanne UHP avec une durée de vie ultra élevée.

3. Les attributs de performance améliorés permettent l'innovation.

Les acteurs avant-gardistes de l'industrie des semi-conducteurs seront désormais moins contraints du point de vue de l'innovation. La nouvelle technologie de valve ALD offre les performances et la durabilité nécessaires pour permettre aux fabricants de semi-conducteurs de travailler dans de nouveaux domaines du tableau périodique des éléments, en expérimentant des gaz précurseurs à faible pression de vapeur pour trouver des matériaux qui pourraient mieux fonctionner que ce qui est utilisé dans les processus ALD aujourd'hui. En plus de maintenir une température constante et de permettre des débits plus élevés, de nouvelles vannes ALD sont proposées dans des matériaux hautement résistants à la corrosion tels que l'alliage 22, ce qui signifie que des produits chimiques plus agressifs peuvent être utilisés pour le traitement sans se soucier des piqûres problématiques ou de la corrosion caverneuse.

Une meilleure option pour une industrie exigeante.

Les nouvelles vannes UHP, telles que la vanne UHP ALD20 récemment lancée par Swagelok, ont un grand potentiel pour changer le marché en offrant aux fabricants de semi-conducteurs le dépôt de haute qualité dont ils ont besoin sans sacrifier l'efficacité du processus. Ce qui ne changera pas, cependant, ce sont les exigences concurrentielles et changeantes des fabricants de l'industrie des semi-conducteurs.

Alors que les fabricants d'outils et les fabricants ajustent leurs processus et leurs conceptions de systèmes pour tirer le meilleur parti des composants avancés tels que l'ALD20, Swagelok restera dédié à l'innovation et à l'amélioration continue à part entière, en s'associant avec ses clients pour développer la prochaine solution aux défis de l'industrie. Travailler sur le marché des semi-conducteurs signifie rester sur un parcours constant d'amélioration itérative, et Swagelok peut vous aider dans ce parcours.

Pour en savoir plus sur les vannes UHP pour l'industrie des semi-conducteurs, ou sur la nouvelle vanne ALD20 de Swagelok en particulier, consultez les liens ci-dessous. Pour entamer une conversation sur la façon dont vos opérations pourraient bénéficier de la dernière technologie de vanne ALD, contactez votre centre de vente et de service local.