Как оптимизировать процессы ALD для полупроводников

Как правильный клапан может повысить точность и стабильность вашего процесса ALD

<эм> Масрур Малик, менеджер по рынку полупроводников, Swagelok

Задача максимизации производительности в сочетании со все более сложными и точными процессами, необходимыми для производства новейших микрочипов, заставляет производителей полупроводников все более и более жестко контролировать технологический процесс. Достижение более узких допусков производительности в таких производственных процессах, как атомно-слоевое осаждение (ALD), необходимо для оптимизации выхода производственных чипов.

Эта точность в системе дозирования и доставки химикатов является критически важным элементом оптимально продуктивного процесса ALD. И хорошо спроектированная система управления клапаном может помочь. Мы изучим причины этого, начав с важной головоломки, с которой столкнулись ученые-полупроводники — и преодолели — в ключевой момент продолжающейся эволюции технологии.

Краткая история полупроводниковой промышленности

Полупроводниковая промышленность зародилась в Силиконовой долине в 1960-х годах, но к концу 1990-х научное сообщество предвидело надвигающийся барьер на пути развития закона Мура — наблюдение, согласно которому количество транзисторов на кремниевый чип удваивается каждые два года. Это было связано с техническими ограничениями традиционных диэлектрических слоев в устройствах, и промышленность знала, что диэлектрический материал для замены SiO₂ скоро понадобится.

Это было непросто, потому что SiO₂ было удобно «выращивать» и сохранять превосходную точность и однородность на кремниевых пластинах. Нанесение нового диэлектрического материала с использованием более традиционных методов осаждения, таких как CVD или PVD, будет непростой задачей.

Именно тогда процесс ALD появился как новый способ нанесения новых материалов с точной толщиной пленки. На начальных этапах существовало несколько серьезных барьеров для выхода на рынок, в том числе низкие скорости осаждения, но со временем в отрасли были разработаны более эффективные способы внедрения АСО в производстве полупроводников. Вскоре стало ясно, что технология ALD станет важной для будущего производства полупроводниковых устройств, но все еще оставались некоторые проблемы с доставкой химикатов, с которыми нужно было бороться.

Важность клапанов в процессе ALD

Производители полупроводников работают над тем, чтобы поддерживать субнанометровую точность осажденных пленок на площади пластины диаметром 300 мм. Это эквивалентно нанесению слоя толщиной 1 см на всю поверхность Луны. В современных полупроводниковых устройствах требуется всего несколько дополнительных атомов вариации, чтобы заметно повлиять на производительность устройства.

Производители полупроводников работают над тем, чтобы поддерживать субнанометровую точность осажденных пленок на площади пластины диаметром 300 мм. Это эквивалентно нанесению слоя толщиной 1 см на всю поверхность Луны.

Основным фактором, влияющим на осажденные слои, является концентрация химических веществ на этапах процесса атомарного слоя. Это требует высокой точности в количестве химического вещества, доставляемого во время каждой дозы. Специализированные клапаны ALD высокой чистоты необходимы для точного и последовательного прекращения и запуска потока химикатов в технологическую камеру.

Характеристики, на которые следует обращать внимание в клапанах ALD

Учитывая, что процесс ALD часто включает сотни шагов дозирования, технологические клапаны подвергаются большому количеству операций — иногда более миллиона циклов в неделю. Таким образом, существует потребность в очень высокой надежности цикла. А поскольку технологические клапаны иногда действуют как ограничивающий поток элемент в системе, пропускная способность и постоянство могут иметь важное значение. Стабильность потока от клапана к клапану также может быть важна для согласования процесса и поддержания стабильного процесса после замены клапанов.

Учитывая, что процесс ALD часто включает в себя сотни шагов дозирования, технологические клапаны подвергаются большому количеству операций — иногда более миллиона циклов в неделю. Таким образом, требуется очень высокая надежность цикла.

Время срабатывания и согласованность также важны — любое изменение времени срабатывания клапана, влияющее на продолжительность дозы, также влияет на объем доставляемой дозы. Например, более быстрое время отклика на открытие клапана и более медленное время отклика на закрытие увеличивают продолжительность дозы. Для дозы в 100 миллисекунд сдвиг времени открытия и закрытия на 3 миллисекунды может увеличить объем дозы на 6%, что во многих приложениях на атомарном уровне было бы весьма значительным для результата процесса.

Необработанная скорость срабатывания также может помочь повысить эффективность процесса, который иногда может включать сотни шагов дозирования. Более быстрое срабатывание может означать сокращение времени для каждого шага, что может способствовать значительному сокращению общей обработки. время.

Также важно помнить, что клапаны с высоким, постоянным расходом и быстрым, повторяемым срабатыванием полезны только в том случае, если они совместимы с доставляемыми химикатами и температурами системы доставки. Во многих случаях, особенно при ALD, прекурсоры химических веществ могут конденсироваться или осаждаться на поверхностях, температура которых не поддерживается достаточной, что может отрицательно сказаться на процессе.

Дополнительные аспекты процесса ALD

Повторяемость процесса ALD недвусмысленно связана с постоянством и точностью используемых дискретных доз химикатов, и все, что может вызвать изменение или различие в дозах химикатов, вызовет изменение или различие в соответствующем процессе. Все оборудование для атомарно-слоевого осаждения, расположенное между базовым химическим веществом и поверхностью пластины, может влиять на дозу химического вещества, поэтому важно выбирать высококачественные трубки и фитинги для всей системы.

Наконец, пневматическая приводная система, которая управляет технологическим клапаном, играет важную роль в определении скорости и устойчивости клапана ALD. Давление срабатывания и допуск, размер и длина труб подачи и выпуска воздуха, управляющие клапаны и даже используемые пневматические фитинги могут влиять на синхронизацию клапана процесса, что важно в любом процессе атомарного слоя. Одного сверхстабильного технологического клапана ALD недостаточно — пневматическая система для управления клапаном и, в некоторых случаях, датчики для точного контроля фаз газораспределения также имеют решающее значение.

Как OEM-производители и производители могут обеспечить надежную согласованность ALD

Работа со знающей командой, которая понимает проблемы, связанные с процессом ALD, является хорошим первым шагом. Поставщики и консультанты, которые понимают проблемы, присущие процессам атомарного уровня, и имеют опыт их решения, могут значительно повысить точность и согласованность ваших процессов ALD.

В Swagelok наша команда оказывает поддержку клиентам в полупроводниковой промышленности по мере того, как процессы атомарного слоя развивались и совершенствовались на протяжении многих лет, и мы рады продолжать предлагать свою помощь на этом пути. Хотите узнать больше о том, как правильная технология клапана и конфигурация системы могут помочь улучшить ваши процессы ALD? Мы постоянно работаем над разработкой правильных решений, которые помогут фабрикам добиться постоянного успеха. Просмотрите наше портфолио или свяжитесь с нашими специалистами по полупроводникам, чтобы узнать больше.