Hoe u halfgeleider-ALD-processen kunt optimaliseren

Hoe de juiste klep de nauwkeurigheid en consistentie in uw ALD-proces kan verbeteren

Masroor Malik, marktmanager voor halfgeleiders, Swagelok

De uitdaging om de doorvoer te maximaliseren in combinatie met de steeds complexere en preciezere processen die nodig zijn om de nieuwste microchip te produceren, drijft halfgeleiderfabrikanten ertoe om steeds strakkere procescontroles na te streven. Het bereiken van nauwere prestatietoleranties in productieprocessen zoals atomic layer deposition (ALD) is essentieel voor het optimaliseren van de productiechipopbrengsten.

Deze precisie in het chemische doseer- en toedieningssysteem is een cruciaal element van een optimaal productief ALD-proces. En een goed ontworpen klepbesturingssysteem kan daarbij helpen. We zullen de redenen onderzoeken waarom, te beginnen met een belangrijk raadsel dat wetenschappers tegenkwamen - en overwonnen - op een cruciaal punt in de voortdurende evolutie van de technologie.

Een korte geschiedenis van de halfgeleiderindustrie

De halfgeleiderindustrie begon in Silicon Valley in de jaren zestig, maar tegen het einde van de jaren negentig anticipeerde de wetenschappelijke gemeenschap op een dreigende barrière voor de voortgang van de wet van Moore - de observatie dat het aantal transistors per siliciumchip elke twee jaar verdubbelt. Dit hield verband met de technische beperkingen van traditionele diëlektrische lagen in apparaten, en de industrie wist dat een diëlektrisch materiaal ter vervanging van SiO₂ zou spoedig nodig zijn.

Dit was een uitdaging omdat SiO₂ was gemakkelijk te "groeien" en behield een uitstekende precisie en uniformiteit op siliciumwafels. Het deponeren van een nieuw diëlektrisch materiaal met behulp van meer traditionele depositiemethoden zoals CVD of PVD zou niet eenvoudig zijn.

Het was toen dat het ALD-proces naar voren kwam als een nieuwe manier om nieuwe materialen met precieze laagdiktes aan te brengen. In de beginfase waren er enkele belangrijke toetredingsdrempels, waaronder lage depositiesnelheden, maar in de loop van de tijd ontwikkelde de industrie effectievere manieren om ALD in de fabricage van halfgeleiders te implementeren. Het werd al snel duidelijk dat ALD belangrijk zou worden voor de toekomst van de fabricage van halfgeleiderapparatuur, maar er waren nog enkele uitdagingen op het gebied van chemische levering.

Het belang van kleppen in het ALD-proces

Halfgeleiderfabrikanten werken aan het handhaven van subnanometerprecisie in afgezette films over het gebied van een wafer met een diameter van 300 mm. Dat is het geschaalde equivalent van het aanbrengen van een 1 cm dikke laag over het gehele oppervlak van de maan. In moderne halfgeleiderapparaten zijn slechts een paar extra atomen van variatie nodig om de prestaties van het apparaat merkbaar te beïnvloeden.

Fabrikanten van halfgeleiders werken aan het handhaven van subnanometerprecisie in gedeponeerde films over het gebied van een wafer met een diameter van 300 mm. Dat is het geschaalde equivalent van het aanbrengen van een 1 cm dikke laag over het gehele oppervlak van de maan.

Een belangrijke factor die de afgezette lagen beïnvloedt, is de concentratie van chemicaliën in de processtappen van de atomaire laag. Dit vereist een hoge precisie in de hoeveelheid chemicaliën die tijdens elke dosis wordt afgegeven. Gespecialiseerde, zeer zuivere ALD-kleppen zijn een noodzaak om de stroom van chemicaliën in de proceskamer nauwkeurig en consistent te stoppen en te starten.

Kenmerken waarnaar moet worden gezocht in ALD-kleppen

Aangezien een ALD-proces vaak honderden doseerstappen omvat, zien de proceskleppen veel actie - soms meer dan een miljoen cycli per week. Er is dus behoefte aan een zeer hoge cyclusbetrouwbaarheid. En omdat procesafsluiters soms fungeren als het stroombeperkende element in het systeem, kunnen stroomcapaciteit en consistentie belangrijk zijn. Stroomconsistentie van klep naar klep kan ook belangrijk zijn voor het bereiken van procesaanpassing en voor het handhaven van een consistent proces nadat de kleppen zijn vervangen.

Aangezien een ALD-proces vaak honderden doseerstappen omvat, zien de proceskleppen veel actie - soms meer dan een miljoen cycli per week. Er is dus behoefte aan een zeer hoge cyclusbetrouwbaarheid.

De reactietijd en consistentie van de activering zijn ook belangrijk - elke verandering in de reactietijd van de klep die van invloed is op de dosislengte heeft ook gevolgen het volume van de afgeleverde dosis. Een snellere reactietijd voor het openen van de klep en een langzamere reactietijd voor sluiten verhogen bijvoorbeeld de dosislengte. Voor een dosistijd van 100 milliseconden kan een verschuiving van 3 milliseconden in de open- en sluitingstijden het dosisvolume met 6% verhogen, wat in veel atomaire laagtoepassingen behoorlijk significant zou zijn voor het procesresultaat.

Ruwe aandrijfsnelheid kan ook helpen de efficiëntie te verbeteren van een proces dat soms honderden doseerstappen kan omvatten. Snellere activering kan betekenen dat de tijd voor elke stap wordt verkort, wat kan bijdragen aan een aanzienlijke vermindering van de totale verwerking tijd.

Het is ook belangrijk om te onthouden dat kleppen met een hoge, consistente stroom en snelle, herhaalbare bediening alleen nuttig zijn als ze compatibel zijn met de chemicaliën die worden afgeleverd en de temperaturen van het toedieningssysteem. In veel gevallen, vooral bij ALD, kunnen de chemische voorlopers condenseren of neerslaan op oppervlakken die niet op een voldoende temperatuur worden gehouden, wat nadelige gevolgen kan hebben voor het proces.

Aanvullende ALD-procesoverwegingen

De herhaalbaarheid van het ALD-proces is ondubbelzinnig gekoppeld aan de consistentie en nauwkeurigheid van de afzonderlijke chemische doses die worden gebruikt - en alles dat een verandering of verschil in de chemische doses kan veroorzaken, zal een verandering of verschil in het bijbehorende proces veroorzaken. Alle afzettingsapparatuur voor atomaire lagen die zich tussen de basischemicaliën en het wafeloppervlak bevindt, kan de chemische dosis beïnvloeden, waardoor het belangrijk is om slangen en fittingen van hoge kwaliteit in het hele systeem te selecteren.

Ten slotte speelt een pneumatisch bedieningssysteem dat een procesklep bestuurt een belangrijke rol bij het bepalen van de snelheid en consistentie van een ALD-klep. Bedieningsdruk en tolerantie, maat en lengte van luchttoevoer- en uitlaatslangen, stuurkleppen en zelfs de gebruikte pneumatische fittingen kunnen allemaal invloed hebben op de timing van de procesklep, wat belangrijk is in elk atoomlaagproces. Een ultraconsistente ALD-procesklep is op zichzelf niet voldoende - een pneumatisch systeem om de klep te bedienen en, in sommige gevallen, sensoren om de prestaties van de kleptiming nauwkeurig te bewaken, zijn ook van cruciaal belang.

Hoe OEM's en Fabs betrouwbare ALD-consistentie kunnen bereiken

Werken met een deskundig team dat de uitdagingen van het ALD-proces begrijpt, is een goede eerste stap. Leveranciers en consultants die de uitdagingen begrijpen die inherent zijn aan atomaire laagprocessen en die ervaring hebben met het oplossen ervan, kunnen een grote bijdrage leveren aan het verbeteren van de nauwkeurigheid en consistentie in uw ALD-processen.

Bij Swagelok heeft ons team klanten in de hele halfgeleiderindustrie ondersteund, aangezien atomaire laagprocessen in de loop der jaren zijn geëvolueerd en gerijpt, en we zijn blij om onze hulp te blijven bieden tijdens die voortdurende reis. Wilt u meer weten over hoe de juiste kleptechnologie en systeemconfiguraties uw ALD-processen kunnen helpen verbeteren? We werken continu aan het ontwikkelen van de juiste oplossingen om fabs op te zetten voor blijvend succes. Blader door ons portfolio of neem contact op met onze halfgeleiderspecialisten voor meer informatie.