Kleine voetafdruk, groot potentieel:hoe verbeterde ALD-kleppen het succes van halfgeleiders zullen katalyseren

Eén nieuwe klep. Drie redenen waarom het de productie van halfgeleiders zou kunnen veranderen.

Matt Ferraro, productmanager, halfgeleiders

De halfgeleidermarkt is niet gemakkelijk te navigeren. Fabrikanten van halfgeleiderwafels staan ​​onder constante druk om maximale precisie te handhaven in zeer complexe processen waarbij dure materialen, corrosieve gassen en extreme temperaturen betrokken zijn. Er is weinig ruimte voor fouten, vooral gezien de extra belasting van het bijhouden van de concurrentie en de snel evoluerende technologische vereisten.

OEM's van halfgeleidergereedschappen staan ​​onder vergelijkbare druk. Ze werken continu aan het verbeteren van de efficiëntie van hun tools en het onderscheiden van hun productontwerpen van die van hun concurrenten, zodat klanten meer kunnen bereiken in minder tijd zonder in te boeten aan kwaliteit. Misschien nog belangrijker is dat ze ook constant vooruit moeten kijken en manieren moeten vinden om fabrikanten in staat te stellen hun processen en inputs (zoals nieuwe precursorgassen) te optimaliseren terwijl ze racen om de volgende generatie chiptechnologie in te luiden.

Jarenlang beschouwen halfgeleiderfabrikanten optimalisatie van atomic layer deposition (ALD)-processen als cruciaal voor het succes van hun bedrijf. Essentieel voor deze processen zijn ultrahoge zuiverheidskleppen (UHP) die in hoge mate zijn ontworpen om nauwkeurige doses gassen te leveren tijdens het depositieproces dat wordt gebruikt om halfgeleiderchips te maken. Hoewel relatief kleine componenten, hebben deze kleppen een enorme impact op het succes of falen van het chip-bouwproces.

UHP-kleppen die in ALD-processen worden gebruikt, zijn behoorlijk geavanceerd in vergelijking met kleppen die gewoonlijk worden aangetroffen in algemene industriële toepassingen, maar fabrikanten van halfgeleiders zijn de laatste tijd nog steeds op zoek naar hogere prestaties als het gaat om factoren zoals thermische stabiliteit en stroomcapaciteit. De mogelijkheden van ALD-kleppen zijn in vele jaren niet drastisch veranderd, maar het is duidelijk dat verandering nodig is als de halfgeleiderindustrie nieuwe niveaus van innovatie en productiviteit wil bereiken.

Ruimte voor verbetering herkennen

Thermische stabiliteit

UHP-kleppen moeten tijdens het ALD-proces tot hoge temperaturen worden verwarmd om te voorkomen dat gassen met een lage dampdruk voortijdig stollen. De aandrijvingen op bestaande UHP-membraanafsluiters kunnen echter vaak niet volledig in de gaskast worden ondergedompeld en moeten thermisch worden geïsoleerd om hun functionaliteit te behouden. Dit kan een verschil in temperatuur tussen verschillende componenten van de klep veroorzaken. Wanneer dit gebeurt, kan afkoeling van de overgedragen gassen optreden, zoals te zien is in figuur 1, met verschillende kleuren die verschillende temperaturen vertegenwoordigen.

Dit is vooral problematisch bij het gebruik van voorlopers die nauwkeurige temperatuurstabiliteit vereisen om voorafgaand aan de depositie in een gasvormige toestand te blijven, wat resulteert in ongewenste ophoping van residuen, wat leidt tot inconsistente dosering. Gezien het belang van herhaalbaarheid op de halfgeleidermarkt, zou de eliminatie van elke mogelijke variantie of inconsistentie door velen worden toegejuicht.

Stroomsnelheid

Een andere belangrijke uitdaging voor OEM's en fabrikanten van halfgeleidergereedschap is de beperkte stroomcapaciteit van bestaande UHP-kleppen die geschikt zijn voor ALD-processen. Terwijl bestaande UHP-membraanafsluiters stroomsnelheden bieden die tot nu toe over het algemeen acceptabel waren, kunnen deze snelheden afnemen naarmate de klep wordt verwarmd. Het vergroten van de stroomsnelheid van kleppen zou de snelheid kunnen verhogen waarmee fabrikanten halfgeleiderwafels kunnen produceren - of zou hen in ieder geval meer procesflexibiliteit kunnen geven om de stabiliteit van hun voorlopergassen te waarborgen - wat mogelijk de inkomsten in het proces kan verhogen.

Mogelijkheid om te experimenteren

Hoewel er vandaag de dag tal van uitdagingen inherent zijn aan de productie van halfgeleiders, is het ook nodig om te experimenteren met nieuwe processen en media die morgen concurrentievoordeel kunnen opleveren.

Er is potentieel voor fabrikanten om de huidige microchiptechnologie en ALD-processen te verbeteren door nieuwe zeer reactieve precursorgassen te gebruiken, maar de bestaande ALD-kleptechnologie biedt momenteel niet het constant hoge debiet dat nodig is om drukval over de klep te voorkomen, wat kan veroorzaken dat gassen met een lage dampdruk van toestand veranderen. Afbeelding 2 illustreert hoe de stroomsnelheid de drukval in drie verschillende kleppen kan beïnvloeden.

Fabrikanten kunnen de stroomsnelheid in hun proces voldoende vertragen om de lage drukval te bereiken die nodig is om deze precursorgassen met lage dampdruk te gebruiken, maar dit is over het algemeen niet economisch haalbaar vanwege de vereiste daling van de algehele systeemefficiëntie. Verbeteringen in UHP-kleptechnologie zullen de sleutel zijn om halfgeleiderfabrikanten te helpen ontdekken wat de toekomst biedt zonder financiële duurzaamheid op te offeren.

Drie uitdagingen, één oplossing

Het goede nieuws is dat de volgende generatie ALD-kleppen op de markt komt, en hun ontwerpverbeteringen ten opzichte van bestaande ALD-kleptechnologie zijn veelbelovend voor de toekomst van de productie van microchips. Hier zijn drie redenen voor een positieve kijk.

1. De kleppen zijn volledig onderdompelbaar in de gaskast.

In een applicatie waar consistentie essentieel is, is er nu minder risico op opbouw of afzetting van inconsistenties in vergelijking met de huidige ALD-processen. Door het ontwerp van nieuwe ALD-kleppen kan de hele klep worden verwarmd tot 200 °C (392 °F), omdat de actuator niet hoeft te worden geïsoleerd om zijn integriteit of doseringsprecisie te behouden. Dit betekent dat halfgeleiderfabrikanten erop kunnen vertrouwen dat de gassen die door ALD-kleppen van de volgende generatie stromen, worden blootgesteld aan een uniforme temperatuur, waardoor een zekere mate van variabiliteit uit het proces wordt gehaald. Figuur 3 toont een ideale staat van thermische stabiliteit, vergeleken met figuur 1 met zijn gevarieerde temperaturen.

2. De stroomsnelheden kunnen veel hoger zijn.

Leiders in de halfgeleiderindustrie kunnen nu de hogere stroomsnelheden bereiken die ze zochten zonder concessies te doen aan de netheid of de levensduur van de componenten. Terwijl bestaande kleppen een stroomcoëfficiënt van 0,6 Cv kunnen bieden, kunnen nieuwe kleppen een dubbele stroom (1,2 Cv) bieden in dezelfde voetafdruk (1,5 in.), waardoor gereedschapsfabrikanten een grotere output kunnen leveren zonder dat gereedschap of andere belangrijke procesveranderingen nodig zijn. Als een fabrikant echter de flexibiliteit heeft om nieuwe ALD-kleppen te implementeren met een iets grotere voetafdruk (1,75 in.), kunnen ze de stroomsnelheid van bestaande ALD-kleppen bijna verdrievoudigen, waardoor stroomcoëfficiënten tot 1,7 Cv worden bereikt.

Deze substantiële verbeteringen in de stroomcapaciteit worden mogelijk gemaakt door nieuwe ALD-kleppen met een balgontwerp in plaats van een traditioneel membraanontwerp. Balgkleppen zijn in staat tot hogere stroomsnelheden en de balg in nieuwe ALD-kleppen is zeer gepolijst tot een 5 μin Ra-afwerking om de UHP-prestaties te bereiken die fabrikanten gewend zijn van membraankleppen die momenteel op de markt worden gebruikt. In figuur 4 ziet u de balg in het midden van de klep. Het nieuwe ontwerp combineert de beste eigenschappen van beide kleptechnologieën in één UHP-klep met een ultrahoge levensduur.

3. Verbeterde prestatiekenmerken zorgen voor innovatie.

Vooruitstrevende spelers in de halfgeleiderindustrie zullen nu minder worden beperkt vanuit een innovatieperspectief. Nieuwe ALD-kleptechnologie biedt de prestaties en duurzaamheid waarmee halfgeleiderfabrikanten in nieuwe gebieden van het periodiek systeem der elementen kunnen werken, door te experimenteren met precursorgassen met lage dampdruk om materialen te vinden die mogelijk beter presteren dan wat tegenwoordig in ALD-processen wordt gebruikt. Naast het handhaven van een constante temperatuur en het mogelijk maken van hogere stroomsnelheden, worden nieuwe ALD-kleppen aangeboden in zeer corrosiebestendige materialen zoals Alloy 22, wat betekent dat agressievere chemicaliën kunnen worden gebruikt voor verwerking zonder zorgen over problematische putcorrosie of spleetcorrosie.

Een betere optie voor een veeleisende industrie.

Nieuwe UHP-kleppen, zoals de onlangs uitgebrachte UHP ALD20-klep van Swagelok, hebben een groot potentieel om de markt te veranderen door halfgeleiderfabrikanten de hoogwaardige depositie te geven die ze nodig hebben zonder in te boeten aan procesefficiëntie. Wat echter niet verandert, zijn de concurrerende, snel veranderende eisen aan fabrikanten in de halfgeleiderindustrie.

Terwijl gereedschapsfabrikanten en fabrikanten hun processen en systeemontwerpen aanpassen om optimaal gebruik te maken van geavanceerde componenten zoals de ALD20, zal Swagelok toegewijd blijven aan innovatie en continue verbetering op zich - door samen te werken met klanten om de volgende oplossing voor industriële uitdagingen te ontwikkelen. Werken in de halfgeleidermarkt betekent dat je op een constante reis van iteratieve verbetering moet blijven, en Swagelok kan je daarbij helpen.

Bezoek de onderstaande links voor meer informatie over UHP-kleppen voor de halfgeleiderindustrie, of de nieuwe ALD20-klep van Swagelok in het bijzonder. Neem contact op met uw plaatselijke verkoop- en servicecentrum om een ​​gesprek te beginnen over hoe uw activiteiten kunnen profiteren van de nieuwste ALD-kleptechnologie.