Cómo optimizar los procesos ALD de semiconductores

Cómo la válvula correcta puede mejorar la precisión y la consistencia en su proceso ALD

Masroor Malik, director de mercado de semiconductores, 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 procesos 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 el rendimiento de los chips de producción.

Esta precisión en el sistema de dosificación y suministro de productos químicos es un elemento crítico de un proceso ALD de productividad óptima. Y un sistema de control de válvulas bien diseñado puede ayudar. Exploraremos las razones por las cuales, comenzando con un importante acertijo que los científicos de semiconductores encontraron, y superaron, en un punto fundamental en la evolución continua de la tecnología.

Una breve historia de la industria de los semiconductores

La industria de los semiconductores comenzó en Silicon Valley en la década de 1960, pero a fines de la década de 1990, la comunidad científica anticipó una barrera inminente para la progresión de la Ley de Moore:la observación de que la cantidad de transistores por chip de silicio se duplica cada dos años. Esto se asoció con los límites técnicos de las capas dieléctricas tradicionales en los dispositivos, y la industria sabía que un material dieléctrico para reemplazar el SiO₂ pronto sería necesario.

Este fue un desafío porque SiO₂ fue conveniente para "crecer" y mantuvo una excelente precisión y uniformidad en las obleas de silicio. Depositar un nuevo material dieléctrico utilizando métodos de depósito más tradicionales como CVD o PVD no sería fácil.

Fue entonces cuando surgió el proceso ALD como una forma novedosa de aplicar nuevos materiales con espesores de película precisos. En las primeras etapas, hubo algunas barreras de entrada importantes, incluidas 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 ALD se volvería importante para el futuro de la fabricación de dispositivos semiconductores, pero aún había algunos desafíos de entrega de productos químicos con los que lidiar.

La importancia de las válvulas en el proceso ALD

Los fabricantes de semiconductores están trabajando para mantener la precisión subnanométrica en las películas depositadas sobre el área de una oblea de 300 mm de diámetro. Ese es el equivalente a escala 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 adicionales de variación para influir notablemente en el rendimiento del dispositivo.

Los fabricantes de semiconductores están trabajando para mantener una precisión subnanométrica en las películas depositadas sobre el área de una oblea de 300 mm de diámetro. Ese es el equivalente a escala 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 productos químicos en los pasos del proceso de la capa atómica. Esto requiere una alta precisión en la cantidad de producto químico administrado durante cada dosis. Las válvulas ALD especializadas de alta pureza son necesarias para detener y comenzar el flujo de productos químicos hacia la cámara de proceso de manera precisa y constante.

Características a buscar en las válvulas ALD

Teniendo en cuenta que un proceso ALD a menudo implica cientos de pasos de dosificación, las válvulas de proceso experimentan mucha acción, a veces más de un millón de ciclos por semana. Por lo tanto, existe la necesidad de una fiabilidad de ciclo muy alta. Y debido a que las válvulas de proceso a veces funcionan como el elemento limitador de flujo en el sistema, la capacidad y la consistencia del flujo pueden ser importantes. La consistencia del flujo de una válvula a otra también puede ser importante para lograr la coincidencia del proceso y mantener un proceso uniforme después de cambiar las válvulas.

Teniendo en cuenta que un proceso ALD a menudo implica cientos de pasos de dosificación, las válvulas del proceso tienen mucha acción, a veces más de un millón de ciclos por semana. Por lo tanto, existe la necesidad de una confiabilidad 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 duración de la dosis también afecta el volumen de la dosis administrada. Por ejemplo, un tiempo de respuesta de apertura de válvula más rápido y un tiempo de respuesta de cierre más lento aumentan la duración 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 que en muchas aplicaciones de capas atómicas sería bastante importante para el resultado del proceso.

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

También es importante recordar que las válvulas con un flujo alto y constante y una actuación rápida y repetible solo son útiles si son compatibles con los productos 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 nocivos 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 provocará un cambio o diferencia en el proceso asociado. Todos los equipos de deposición de capas atómicas que existen entre la base química y la superficie de la oblea tienen el potencial de influir en la dosis química, por lo que es importante seleccionar tuberías y accesorios de alta calidad en todo el sistema.

Finalmente, un sistema de actuación neumática que controla una válvula de proceso juega un papel importante en la definición de la velocidad y consistencia de una válvula ALD. La presión y la tolerancia de actuación, el tamaño y la longitud de los tubos de escape y suministro de aire, las válvulas piloto e incluso los accesorios neumáticos utilizados pueden afectar la sincronización de las válvulas del proceso, lo cual es importante en cualquier proceso de capa atómica. Una válvula de proceso ALD ultraconsistente no es suficiente por sí sola:un sistema neumático para operar la válvula y, en algunos casos, sensores para monitorear con precisión el rendimiento de sincronización de la válvula también es fundamental.

Cómo los OEM y los fabricantes pueden lograr una consistencia ALD confiable

Trabajar con un equipo experto que comprende los desafíos asociados con el proceso ALD es un buen primer paso. Los proveedores y consultores que entienden los desafíos inherentes a los procesos de la capa atómica y que tienen experiencia en resolverlos pueden contribuir en gran medida a mejorar la precisión y la consistencia en sus procesos ALD.

En Swagelok, nuestro equipo ha estado apoyando a clientes de toda la industria de los 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 a lo largo de ese viaje en curso. ¿Está interesado en obtener más información sobre cómo la tecnología de válvulas y las configuraciones del sistema adecuadas pueden ayudarlo a mejorar sus procesos de ALD? Trabajamos continuamente para desarrollar las soluciones adecuadas para ayudar a configurar las fábricas para el éxito continuo. Examine nuestra cartera o póngase en contacto con nuestros especialistas en semiconductores para obtener más información.