Pequeña huella, gran potencial:cómo las válvulas ALD mejoradas catalizarán el éxito de los semiconductores

Una válvula nueva. Tres razones por las que podría cambiar la fabricación de semiconductores.

Matt Ferraro, Gerente de Producto, Semiconductores

El mercado de semiconductores no es fácil de navegar. Los fabricantes de obleas de semiconductores están bajo presión constante para mantener la máxima precisión en procesos altamente complejos que involucran materiales costosos, gases corrosivos y temperaturas extremas. Hay poco margen para el error, especialmente dada la tensión adicional de mantenerse al día con la competencia y las demandas tecnológicas que evolucionan rápidamente.

Los OEM de herramientas de semiconductores están bajo una presión similar. Trabajan continuamente para mejorar la eficiencia de sus herramientas y diferenciar los diseños de sus productos de los de sus competidores para que los clientes puedan lograr más en menos tiempo sin sacrificar la calidad. Quizás lo más importante es que también deben mirar constantemente hacia el futuro, encontrando formas de permitir que los fabricantes optimicen sus procesos e insumos (como nuevos gases precursores) mientras compiten para marcar el comienzo de la próxima generación de tecnología de chips.

Durante años, los fabricantes de semiconductores han considerado que la optimización de los procesos de deposición de capas atómicas (ALD) es fundamental para el éxito de sus negocios. Esencial para estos procesos son las válvulas de ultra alta pureza (UHP) que están altamente diseñadas para entregar dosis precisas de gases durante el proceso de deposición utilizado para crear chips semiconductores. Si bien son componentes relativamente pequeños, estas válvulas tienen un gran impacto en el éxito o el fracaso del proceso de construcción de chips.

Las válvulas UHP utilizadas en los procesos ALD son bastante avanzadas en comparación con las válvulas que se encuentran comúnmente en aplicaciones industriales generales, sin embargo, últimamente los fabricantes de semiconductores aún buscan un mayor rendimiento en lo que respecta a factores como la estabilidad térmica y la capacidad de flujo. Las capacidades de las válvulas ALD no han cambiado drásticamente en muchos años, sin embargo, es evidente que se necesita un cambio si la industria de los semiconductores quiere alcanzar nuevos niveles de innovación y productividad.

Reconocer el margen de mejora

Estabilidad Térmica

Las válvulas UHP deben calentarse a altas temperaturas durante el proceso ALD para evitar que los gases de baja presión de vapor se solidifiquen prematuramente. Sin embargo, los actuadores de las válvulas de diafragma UHP existentes a menudo no pueden sumergirse completamente en la caja de gas y deben aislarse térmicamente para mantener su funcionalidad. Esto puede causar una discrepancia de temperatura entre los diferentes componentes de la válvula. Cuando esto ocurre, puede ocurrir el enfriamiento de los gases transmitidos, como se ve en la Figura 1, con diferentes colores que representan temperaturas variables.

Esto es especialmente problemático cuando se utilizan precursores que requieren una estabilidad de temperatura precisa para permanecer en estado gaseoso antes de la deposición, lo que da como resultado una acumulación de residuos no deseada que conduce a una dosificación inconsistente. Dada la importancia de la repetibilidad en el mercado de los semiconductores, muchos agradecerían la eliminación de cualquier posible variación o inconsistencia.

Caudal

Otro desafío clave para los OEM y fabricantes de herramientas de semiconductores es la capacidad de flujo limitada de las válvulas UHP existentes adecuadas para los procesos ALD. Si bien las válvulas de diafragma UHP existentes ofrecen caudales que, en general, han sido aceptables hasta ahora, esos caudales pueden disminuir a medida que se calienta la válvula. El aumento de las capacidades de caudal de las válvulas podría aumentar la velocidad a la que los fabricantes pueden producir obleas de semiconductores, o al menos permitirles una mayor flexibilidad de proceso para garantizar la estabilidad de sus gases precursores, lo que podría aumentar los ingresos en el proceso.

Capacidad de experimentar

Si bien existen muchos desafíos inherentes a la fabricación de semiconductores en la actualidad, también existe la necesidad de experimentar con nuevos procesos y medios que puedan permitir una ventaja competitiva en el futuro.

Existe la posibilidad de que los fabricantes mejoren la tecnología actual de microchips y los procesos ALD mediante el uso de nuevos gases precursores altamente reactivos, pero la tecnología de válvulas ALD existente actualmente no proporciona el índice de flujo constantemente alto necesario para evitar la caída de presión en la válvula, lo que puede hacer que los gases de baja presión de vapor cambien de estado. La figura 2 ilustra cómo el caudal puede afectar la caída de presión en tres válvulas diferentes.

Los fabricantes pueden reducir la velocidad de flujo en su proceso lo suficiente como para lograr la baja caída de presión requerida para usar estos gases precursores de baja presión de vapor, pero hacerlo generalmente no es económicamente viable debido a la caída requerida en la eficiencia general del sistema. Las mejoras en la tecnología de válvulas UHP serán la clave para ayudar a los fabricantes de semiconductores a descubrir qué sigue sin sacrificar la sostenibilidad financiera.

Tres desafíos, una solución

La buena noticia es que la próxima generación de válvulas ALD está llegando al mercado, y sus mejoras de diseño con respecto a la tecnología de válvulas ALD existente son muy prometedoras para el futuro de la fabricación de microchips. Aquí hay tres razones para una perspectiva positiva.

1. Las válvulas son totalmente sumergibles en la caja de gas.

En una aplicación donde la consistencia es clave, ahora hay menos riesgo de inconsistencias de acumulación o deposición en comparación con los procesos ALD actuales. El diseño de las nuevas válvulas ALD permite calentar toda la válvula hasta 200 °C (392 °F), ya que no es necesario aislar el actuador para mantener su integridad o precisión de dosificación. Esto significa que los fabricantes de semiconductores pueden estar seguros de que los gases que fluyen a través de las válvulas ALD de próxima generación estarán expuestos a una temperatura uniforme, eliminando cierto grado de variabilidad del proceso. La Figura 3 muestra un estado ideal de estabilidad térmica, en comparación con la Figura 1 con sus temperaturas variadas.

2. Los caudales pueden ser mucho más altos.

Los líderes de la industria de semiconductores ahora pueden lograr las mayores tasas de flujo que buscaban sin tener que comprometer la limpieza o la longevidad de los componentes. Mientras que las válvulas existentes pueden ofrecer un coeficiente de flujo de 0,6 Cv, las válvulas nuevas pueden ofrecer el doble de flujo (1,2 Cv) en el mismo espacio (1,5 in), lo que permite a los fabricantes de herramientas proporcionar un mayor rendimiento sin necesidad de reequipamiento u otros cambios significativos en el proceso. Sin embargo, si un fabricante tiene la flexibilidad para implementar nuevas válvulas ALD con una huella un poco más grande (1,75 pulgadas), puede casi triplicar el caudal de las válvulas ALD existentes, logrando coeficientes de flujo de hasta 1,7 Cv.

Estas mejoras sustanciales en la capacidad de flujo son posibles gracias a las nuevas válvulas ALD que cuentan con un diseño de fuelle en lugar de un diseño de diafragma tradicional. Las válvulas de fuelle son capaces de velocidades de flujo más altas, y los fuelles dentro de las nuevas válvulas ALD están altamente pulidos a un acabado de 5 μin Ra para lograr el rendimiento UHP que los fabricantes esperan de las válvulas de diafragma que se utilizan actualmente en el mercado. En la Figura 4, puede ver los fuelles que aparecen en el centro de la válvula. El nuevo diseño combina las mejores características de ambas tecnologías de válvulas en una válvula UHP con un ciclo de vida ultraalto.

3. Los atributos de rendimiento mejorados permiten la innovación.

Los jugadores con visión de futuro en la industria de los semiconductores ahora estarán menos restringidos desde una perspectiva de innovación. La nueva tecnología de válvulas ALD proporciona el rendimiento y la durabilidad que permiten a los fabricantes de semiconductores trabajar en nuevas áreas de la tabla periódica de elementos, experimentando con gases precursores de baja presión de vapor para encontrar materiales que puedan funcionar mejor que los que se utilizan actualmente en los procesos ALD. Más allá de mantener una temperatura constante y permitir índices de flujo más altos, las nuevas válvulas ALD se ofrecen en materiales altamente resistentes a la corrosión, como la aleación 22, lo que significa que se pueden usar productos químicos más agresivos para el procesamiento sin preocuparse por las picaduras problemáticas o la corrosión por grietas.

Una mejor opción para una industria exigente.

Las nuevas válvulas UHP, como la válvula UHP ALD20 lanzada recientemente por Swagelok, tienen un gran potencial para cambiar el mercado al brindar a los fabricantes de semiconductores la deposición de alta calidad que necesitan sin sacrificar la eficiencia del proceso. Sin embargo, lo que no cambiará son las demandas competitivas y rápidamente cambiantes de los fabricantes en la industria de los semiconductores.

Mientras los fabricantes y fabricantes de herramientas ajustan sus procesos y diseños de sistemas para hacer el mejor uso de componentes avanzados como el ALD20, Swagelok seguirá dedicado a la innovación y la mejora continua por derecho propio, asociándose con los clientes para desarrollar la próxima solución a los desafíos de la industria. Trabajar en el mercado de los semiconductores significa permanecer en un viaje constante de mejora iterativa, y Swagelok puede ayudarlo en ese viaje.

Para obtener más información sobre las válvulas UHP para la industria de los semiconductores, o la nueva válvula ALD20 de Swagelok en particular, visite los enlaces a continuación. Para comenzar una conversación sobre cómo sus operaciones podrían beneficiarse de la última tecnología de válvulas ALD, comuníquese con su centro local de ventas y servicio.