Révolutionner la production semi-conducteurs : technologie avancée de vannes ALD pour plus de précision

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

Matt Ferraro, Chef de produit, Semi-conducteurs

Le marché des semi-conducteurs n'est pas facile à naviguer. Les fabricants de wafers sont sous pression constante pour maintenir une précision maximale dans des processus hautement complexes impliquant matériaux coûteux, gaz corrosifs et températures extrêmes. La marge d'erreur est mince, surtout avec la contrainte supplémentaire de suivre la concurrence et les demandes technologiques en évolution rapide.

Les OEMs d'outils semi-conducteurs subissent une pression similaire. Ils travaillent sans cesse à améliorer l'efficacité de leurs outils et différencier leurs designs pour que les clients en fassent plus en moins de temps sans sacrifier la qualité. Plus important encore, ils doivent constamment regarder vers l'avenir, trouvant des moyens de permettre aux fabricants d'optimiser leurs processus et intrants (comme de nouveaux gaz précurseurs) dans la course à la prochaine génération de technologie de puces.

Depuis des années, les fabricants voient l'optimisation des processus de dépôt par couches atomiques (ALD) comme critique pour leur succès. Essentiels à ces processus sont les vannes ultra-haute pureté (UHP) hautement conçues pour délivrer des doses précises de gaz pendant le dépôt utilisé pour créer les puces. Bien que composants relativement petits, ces vannes ont un impact énorme sur le succès ou l'échec du processus de fabrication.

Les vannes UHP utilisées en ALD sont assez avancées comparées aux vannes industrielles générales, doch les fabricants cherchent encore plus de performance sur la stabilité thermique et la capacité de débit. Les capacités des vannes ALD n'ont pas radicalement changé en années, pourtant le changement est nécessaire si l'industrie doit atteindre de nouveaux niveaux d'innovation et productivité.

Reconnaître la marge d'amélioration

Stabilité thermique

Les vannes UHP doivent être chauffées à haute température pendant le process ALD pour empêcher les gaz à basse pression de vapeur de se solidifier prématurément. Les actionneurs des vannes à diaphragme UHP existantes ne peuvent souvent pas être entièrement immergés dans la boîte à gaz et doivent être thermiquement isolés pour maintenir leur fonctionnalité. Cela peut causer un écart de température entre différents composants de la vanne. Quand cela se produit, un refroidissement des gaz transmis peut se produire, comme vu Figure 1, avec différentes couleurs représentant des températures variables.

C'est particulièrement problématique avec des précurseurs nécessitant une stabilité thermique précise pour rester gazeux avant dépôt, résultant en dépôts résiduels indésirables menant à un dosage inconstant. Vu l'importance de la répétabilité, l'élimination de toute variance potentielle serait bienvenue.

Débit

Un autre défi clé pour les OEMs et fabricants est la capacité de débit limitée des vannes UHP existantes adaptées à l'ALD. Bien que les vannes à diaphragme UHP existantes offrent des débits généralement acceptables jusqu'ici, ces débits peuvent décliner quand la vanne est chauffée. Augmenter les capacités de débit pourrait booster le taux de production de wafers – ou au moins permettre plus de flexibilité pour assurer la stabilité des gaz précurseurs – potentiellement augmentant les revenus.

Capacité d'expérimentation

S'il y a beaucoup de défis inhérents à la fabrication de semi-conducteurs aujourd'hui, il y a aussi un besoin d'expérimenter de nouveaux processus et milieux pour un avantage concurrentiel demain.

Il y a un potentiel pour les fabricants d'améliorer la technologie des micro-puces et les processus ALD en utilisant de nouveaux gaz précurseurs hautement réactifs, mais la technologie de vannes ALD existante ne fournit pas 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 basse pression de vapeur. La Figure 2 illustre comment le débit peut impacter la chute de pression dans trois vannes différentes.

Les fabricants peuvent ralentir le débit assez pour atteindre la faible chute de pression requise pour utiliser ces précurseurs à basse pression de vapeur, mais ce n'est généralement pas économiquement viable à cause de la chute d'efficacité globale requise. Les améliorations de la technologie de vannes UHP seront la clé pour aider les fabricants à découvrir la suite sans sacrifier la viabilité financière.

Trois défis, une solution

La bonne nouvelle : la prochaine génération de vannes ALD arrive sur le marché, et leurs améliorations de conception sur la technologie existante sont très prometteuses pour l'avenir de la fabrication de micro-puces. Voici trois raisons d'être optimiste.

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

Dans une application où la constance est clé, il y a maintenant moins de risque d'accumulation ou d'incohérence de dépôt comparé aux processus ALD d'aujourd'hui. La conception des nouvelles vannes ALD permet à toute la vanne d'être chauffée 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 peuvent être confiants que les gaz traversant les vannes ALD de nouvelle génération seront exposés à une température uniforme, éliminant une part de variabilité du processus. La Figure 3 montre un état idéal de stabilité thermique, comparé à la Figure 1 avec ses températures variables.

2. Les débits peuvent être beaucoup plus élevés.

Les leaders de l'industrie peuvent maintenant atteindre les débits plus élevés qu'ils recherchaient sans compromettre propreté ou longévité. Alors que les vannes existantes offrent un coefficient de débit (Cv) de 0,6, les nouvelles vannes peuvent offrir le double (1,2 Cv) dans le même encombrement (1,5 po), permettant aux fabricants d'outils d'obtenir plus de débit sans retooling ni changements majeurs. Si un fabricant a la flexibilité d'implémenter de nouvelles vannes ALD avec un encombrement légèrement plus grand (1,75 po), il peut presque tripler le débit des vannes ALD existantes, atteignant des coefficients jusqu'à 1,7 Cv.

Ces améliorations substantielles sont rendues possibles par de nouvelles vannes ALD avec une conception à soufflet plutôt qu'à diaphragme traditionnel. Les vannes à soufflet permettent des débits plus élevés, et les soufflets sont hautement polis à une finition 5 µin Ra pour atteindre la performance UHP attendue des vannes à diaphragme actuelles. Dans la Figure 4, on voit le soufflet au centre de la vanne. La nouvelle conception combine les meilleures caractéristiques des deux technologies en une vanne UHP à durée de vie ultra-élevée.

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

Les acteurs avant-gardistes seront moins contraints du point de vue innovation. La nouvelle technologie de vannes ALD fournit la performance et durabilité pour permettre aux fabricants de travailler dans de nouvelles zones du tableau périodique, expérimentant avec des gaz précurseurs à basse pression de vapeur pour trouver des matériaux qui pourraient performer mieux qu'aujourd'hui. Au-delà de maintenir une température constante et permettre des débits plus élevés, les nouvelles vannes ALD sont offertes en matériaux hautement résistants à la corrosion comme l'Alliage 22, signifiant que des chimies plus agressives peuvent être utilisées sans souci de corrosion par piqûres ou crevasses.

Une meilleure option pour une industrie exigeante.

Les nouvelles vannes UHP, comme la vanne ALD20 récemment lancée par Swagelok, ont un grand potentiel pour changer le marché en donnant aux fabricants le dépôt de haute qualité dont ils ont besoin sans sacrifier l'efficacité du processus. Ce qui ne changera pas, ce sont les demandes concurrentielles et évolutives rapides sur les fabricants.

Pendant que les fabricants d'outils et fondeurs ajustent leurs processus et designs pour tirer le meilleur parti de composants avancés comme l'ALD20, Swagelok restera dédié à l'innovation et l'amélioration continue – partenaire des clients pour développer la prochaine solution aux défis de l'industrie. Travailler dans le marché 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 semi-conducteurs, ou la nouvelle vanne ALD20 de Swagelok, visitez les liens ci-dessous. Pour entamer une conversation sur comment vos opérations pourraient bénéficier de la dernière technologie de vannes ALD, contactez votre centre de vente et service local.