Dominando la Deposición de Capas Atómicas (ALD) en Semiconductores: Estrategias para Precisión y Eficiencia

Cómo la Válvula Adecuada Puede Mejorar la Precisión y Consistencia en su Proceso ALD

Masroor Malik, Market Manager for Semiconductor, Swagelok

El desafío de maximizar el rendimiento combinado con los procesos cada vez más complejos y precisos necesarios para fabricar el último microchip está impulsando a los fabricantes de semiconductores a buscar controles de proceso cada vez más estrictos. Lograr tolerancias de rendimiento más estrechas en procesos de producción como la deposición de capas atómicas (ALD) es esencial para optimizar los rendimientos de chips de producción.

Esta precisión en el sistema de dosificación y entrega de químicos es un elemento crítico de un proceso ALD óptimamente productivo. Y un sistema de control de válvulas bien diseñado puede ayudar. Exploraremos las razones por las que, comenzando con un importante enigma que los científicos de semiconductores encontraron y superaron en un punto crucial de la evolución continua de la tecnología.

Breve Historia de la Industria de Semiconductores

La industria de semiconductores comenzó en el Valle del Silicio en la década de 1960, pero a finales de la década de 1990, la comunidad científica anticipaba una barrera inminente para la progresión de la Ley de Moore, la observación de que el número de transistores por chip de silicio se duplica cada dos años. Esto se asociaba con los límites técnicos de las capas dieléctricas tradicionales en dispositivos, y la industria sabía que pronto se necesitaría un material dieléctrico para reemplazar al SiO₂.

Este fue un desafío porque el SiO₂ era conveniente de "crecer" y mantenía una excelente precisión y uniformidad en obleas de silicio. Depositar un nuevo material dieléctrico usando métodos de deposición más tradicionales como CVD o PVD no sería fácil.

Fue entonces cuando el proceso ALD surgió como una forma novedosa de aplicar nuevos materiales con espesores de película precisos. En las etapas iniciales, hubo algunas barreras importantes de entrada, incluyendo tasas de deposición lentas, pero con el tiempo la industria desarrolló formas más efectivas de implementar ALD en la fabricación de semiconductores. Rápidamente quedó claro que el ALD se volvería importante para el futuro de la fabricación de dispositivos semiconductores, pero todavía había algunos desafíos de entrega química con los que lidiar.

La Importancia de las Válvulas en el Proceso ALD

Los fabricantes de semiconductores trabajan para mantener una precisión subnanométrica en las películas depositadas sobre el área de una oblea de 300 mm de diámetro. Eso es el equivalente escalado de aplicar una capa de 1 cm de espesor sobre toda la superficie de la luna. En los dispositivos semiconductores modernos, solo se necesitan unos pocos átomos extra de variación para influir notablemente en el rendimiento del dispositivo.

Los fabricantes de semiconductores trabajan para mantener una precisión subnanométrica en las películas depositadas sobre el área de una oblea de 300 mm de diámetro. Eso es el equivalente escalado de aplicar una capa de 1 cm de espesor sobre toda la superficie de la luna.

Un factor importante que influye en las capas depositadas es la concentración de químicos en los pasos del proceso de capas atómicas. Esto requiere alta precisión en la cantidad de químico entregado durante cada dosificación. Las válvulas ALD especializadas de alta pureza son una necesidad para detener e iniciar el flujo de químicos en la cámara de proceso de manera precisa y consistente.

Características a Buscar en Válvulas ALD

Considerando que un proceso ALD a menudo involucra cientos de pasos de dosificación, las válvulas de proceso ven mucha acción, a veces más de un millón de ciclos por semana. Por lo tanto, hay una necesidad de una fiabilidad de ciclo muy alta. Y debido a que las válvulas de proceso a veces funcionan como el elemento limitante de flujo en el sistema, la capacidad de flujo y la consistencia pueden ser importantes. La consistencia del flujo de válvula a válvula también puede ser importante para lograr la coincidencia de proceso y mantener un proceso consistente después de que se cambian las válvulas.

Considerando que un proceso ALD a menudo involucra cientos de pasos de dosificación, las válvulas de proceso ven mucha acción, a veces más de un millón de ciclos por semana. Por lo tanto, hay una necesidad de una fiabilidad de ciclo muy alta.

El tiempo de respuesta de actuación y la consistencia también son importantes; cualquier cambio en el tiempo de respuesta de la válvula que afecte la longitud de la dosis también afecta el volumen de la dosis entregada. Por ejemplo, un tiempo de respuesta de apertura más rápido y un tiempo de respuesta de cierre más lento aumentan la longitud de la dosis. Para un tiempo de dosis de 100 milisegundos, un cambio de 3 milisegundos en los tiempos de apertura y cierre puede aumentar el volumen de la dosis en un 6%, lo cual en muchas aplicaciones de capas atómicas sería bastante significativo para el resultado del proceso.

La velocidad de actuación bruta también puede ayudar a mejorar la eficiencia de un proceso que a veces involucra cientos de pasos de dosificación. Una actuación más rápida puede significar reducir el tiempo para cada paso, lo que puede contribuir a una reducción significativa en el tiempo total de procesamiento .

También es importante recordar que las válvulas con alto flujo consistente y actuación rápida y repetible solo son útiles si son compatibles con los químicos que se entregan y las temperaturas del sistema de entrega. En muchos casos, particularmente en ALD, los precursores químicos pueden condensarse o depositarse en superficies que no se mantienen a una temperatura suficiente, lo que puede tener efectos negativos en el proceso.

Consideraciones Adicionales del Proceso ALD

La repetibilidad del proceso ALD está inequívocamente vinculada a la consistencia y precisión de las dosis químicas discretas empleadas, y cualquier cosa que pueda causar un cambio o diferencia en las dosis químicas causará un cambio o diferencia en el proceso asociado. Todo el equipo de deposición de capas atómicas que existe entre el químico base y la superficie de la oblea tiene el potencial de influir en la dosis química, lo que hace importante seleccionar tuberías y racores de alta calidad en todo el sistema.

Finalmente, un sistema de actuación neumática que controla una válvula de proceso juega un papel importante en definir la velocidad y consistencia de una válvula ALD. La presión de actuación y tolerancia, el tamaño y longitudes de tubería de suministro y escape de aire, válvulas piloto e incluso los racores neumáticos utilizados pueden afectar el tiempo de la válvula de proceso, lo cual es importante en cualquier proceso de capas atómicas. Una válvula de proceso ALD ultra-consistente no es suficiente por sí sola; un sistema neumático para operar la válvula y, en algunos casos, sensores para monitorear con precisión el rendimiento del tiempo de la válvula también son críticos.

Cómo los OEM y Fabs Pueden Lograr Consistencia Fiable en ALD

Trabajar con un equipo conocedor que entienda los desafíos asociados con el proceso ALD es un buen primer paso. Proveedores y consultores que entienden los desafíos inherentes a los procesos de capas atómicas y que tienen experiencia resolviéndolos pueden ayudar mucho a mejorar la precisión y consistencia en sus procesos ALD.

En Swagelok, nuestro equipo ha estado apoyando a clientes en toda la industria de semiconductores a medida que los procesos de capas atómicas han evolucionado y madurado a lo largo de los años, y estamos felices de continuar ofreciendo nuestra asistencia en ese viaje continuo. ¿Interesado en aprender más sobre cómo la tecnología de válvulas adecuada y las configuraciones de sistema pueden ayudar a mejorar sus procesos ALD? Estamos trabajando continuamente para desarrollar las soluciones correctas para preparar a las fabs para el éxito continuo. Explore nuestra cartera o póngase en contacto con nuestros especialistas en semiconductores para obtener más información.