Revolucionar la producción de semiconductores: Tecnología avanzada de válvulas ALD para mayor precisión

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

Matt Ferraro, Product Manager, Semiconductor

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 de error, especialmente dada la tensión añadida de mantenerse al día con la competencia y las demandas tecnológicas que evolucionan rápidamente.

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

Durante años, los fabricantes de semiconductores han visto la optimización de los procesos de deposición de capas atómicas (ALD) como crítica para el éxito de sus negocios. Esenciales 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 de semiconductores. Si bien son componentes relativamente pequeños, estas válvulas tienen un gran impacto en el éxito o fracaso del proceso de construcción de chips.

Las válvulas UHP utilizadas en procesos ALD son bastante avanzadas en comparación con las válvulas que se encuentran comúnmente en aplicaciones industriales generales, sin embargo, los fabricantes de semiconductores aún se han encontrado buscando un mayor rendimiento en lo que respecta a factores como la estabilidad térmica y la capacidad de flujo últimamente. 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 semiconductores quiere alcanzar nuevos niveles de innovación y productividad.

Reconociendo 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 en 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 diferentes componentes de la válvula. Cuando esto ocurre, puede ocurrir enfriamiento de los gases transmitidos, como se ve en la Figura 1, con diferentes colores representando temperaturas variables.

Esto es especialmente problemático al usar precursores que requieren estabilidad térmica precisa para permanecer en estado gaseoso antes de la deposición, resultando en acumulación de residuos no deseados que lleva a dosificación inconsistente. Dada la importancia de la repetibilidad en el mercado de semiconductores, la eliminación de cualquier potencial de varianza o inconsistencia sería bienvenida por muchos.

Tasa de flujo

Otro desafío clave para los OEMs de herramientas de semiconductores y fabricantes es la capacidad de flujo limitada de las válvulas UHP existentes adecuadas para procesos ALD. Si bien las válvulas de diafragma UHP existentes ofrecen tasas de flujo que han sido generalmente aceptables hasta ahora, esas tasas pueden disminuir a medida que la válvula se calienta. Aumentar las capacidades de tasa de flujo de las válvulas podría aumentar la tasa a la que los fabricantes pueden producir obleas de semiconductores —o al menos podría permitirles más flexibilidad de proceso para asegurar la estabilidad de sus gases precursores— potencialmente aumentando los ingresos en el proceso.

Capacidad de experimentar

Si bien hay muchos desafíos inherentes a la fabricación de semiconductores hoy, también hay una necesidad de experimentar con nuevos procesos y medios que puedan permitir una ventaja competitiva mañana.

Existe potencial para que los fabricantes mejoren la tecnología de microchips actual y los procesos ALD usando nuevos gases precursores altamente reactivos, pero la tecnología de válvulas ALD existente no proporciona actualmente la tasa de flujo consistentemente alta necesaria para evitar la caída de presión a través de la válvula, lo que puede causar que los gases de baja presión de vapor cambien de estado. La Figura 2 ilustra cómo la tasa de flujo puede afectar la caída de presión en tres válvulas diferentes.

Los fabricantes pueden reducir la tasa de flujo en su proceso lo suficiente para lograr la caída de presión baja 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 lo que viene 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 sobre la tecnología de válvulas ALD existente tienen gran promesa para el futuro de la fabricación de microchips. Aquí hay tres razones para una perspectiva positiva.

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

En una aplicación donde la consistencia es clave, ahora hay menos riesgo de acumulación o inconsistencias de deposición en comparación con los procesos ALD de hoy. El diseño de las nuevas válvulas ALD permite que toda la válvula se caliente hasta 200°C (392°F), ya que el actuador no necesita aislarse para mantener su integridad o precisión de dosificación. Esto significa que los fabricantes de semiconductores pueden sentirse 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 variables.

2. Las tasas de flujo pueden ser mucho más altas.

Los líderes de la industria de semiconductores ahora pueden lograr las tasas de flujo más altas que han buscado sin tener que comprometer la limpieza o la longevidad del componente. Mientras que las válvulas existentes podrían ofrecer un coeficiente de flujo Cv de 0.6, las nuevas válvulas pueden ofrecer el doble de flujo (1.2 Cv) en la misma huella (1.5 pulg.), permitiendo a los fabricantes de herramientas proporcionar mayor salida sin requerir reequipamiento u otros cambios de proceso significativos. Sin embargo, si un fabricante tiene la flexibilidad de implementar nuevas válvulas ALD con una huella ligeramente mayor (1.75 pulg.), pueden casi triplicar la tasa de flujo 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 presentan un diseño de fuelle en lugar de un diseño de diafragma tradicional. Las válvulas de fuelle son capaces de tasas 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 han llegado a esperar de las válvulas de diafragma utilizadas actualmente en el mercado. En la Figura 4, puede ver los fuelles en el centro de la válvula. El nuevo diseño combina las mejores características de ambas tecnologías de válvulas en una válvula UHP con una vida de ciclo ultra-alta.

3. Los atributos de rendimiento mejorados permiten la innovación.

Los jugadores con visión de futuro en la industria de semiconductores ahora estarán menos limitados desde una perspectiva de innovación. La nueva tecnología de válvulas ALD proporciona el rendimiento y durabilidad para permitir 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 podrían funcionar mejor que los utilizados en los procesos ALD hoy. Más allá de mantener una temperatura consistente y permitir tasas de flujo más altas, las nuevas válvulas ALD se ofrecen en materiales altamente resistentes a la corrosión como Aleación 22, lo que significa que químicas más agresivas pueden usarse para el procesamiento sin preocupaciones por picaduras o corrosión por grietas problemáticas.

Una mejor opción para una industria exigente.

Nuevas válvulas UHP, como la válvula ALD20 UHP recientemente lanzada por Swagelok, tienen un gran potencial para cambiar el mercado al dar a los fabricantes de semiconductores la deposición de alta calidad que necesitan sin sacrificar la eficiencia del proceso. Lo que no cambiará, sin embargo, son las demandas competitivas y de rápido cambio sobre los fabricantes en la industria de semiconductores.

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

Para aprender más sobre válvulas UHP para la industria de 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, contacte a su centro local de ventas y servicio.