Como otimizar processos ALD de semicondutores

Como a válvula certa pode melhorar a precisão e a consistência em seu processo de ALD

Masroor Malik, gerente de mercado de semicondutores, Swagelok

O desafio de maximizar o rendimento combinado com os processos cada vez mais complexos e precisos necessários para fabricar o microchip mais recente está levando os fabricantes de semicondutores a buscar controles de processo cada vez mais rígidos. Alcançar tolerâncias de desempenho mais estreitas em processos de produção, como deposição de camada atômica (ALD) é essencial para otimizar o rendimento dos chips de produção.

Essa precisão no sistema de dosagem e entrega de produtos químicos é um elemento crítico de um processo ALD de produtividade ideal. E um sistema de controle de válvula bem projetado pode ajudar. Vamos explorar as razões pelas quais, começando com um importante enigma que os cientistas de semicondutores encontraram – e superaram – em um ponto crucial na evolução contínua da tecnologia.

Uma breve história da indústria de semicondutores

A indústria de semicondutores começou no Vale do Silício na década de 1960, mas no final da década de 1990, a comunidade científica estava prevendo uma barreira iminente à progressão da Lei de Moore – a observação de que o número de transistores por chip de silício dobra a cada dois anos. Isso estava associado aos limites técnicos das camadas dielétricas tradicionais em dispositivos, e a indústria sabia que um material dielétrico para substituir o SiO₂ logo seria necessário.

Isso foi um desafio porque SiO₂ foi conveniente para “crescer” e manteve excelente precisão e uniformidade em pastilhas de silício. Depositar um novo material dielétrico usando métodos de deposição mais tradicionais como CVD ou PVD não seria fácil.

Foi então que o processo ALD surgiu como uma nova maneira de aplicar novos materiais com espessuras de filme precisas. Nos estágios iniciais, havia algumas barreiras importantes à entrada, incluindo taxas de deposição lentas, mas com o tempo a indústria desenvolveu maneiras mais eficazes de implementar o ALD na fabricação de semicondutores. Rapidamente ficou claro que o ALD se tornaria importante para o futuro da fabricação de dispositivos semicondutores, mas ainda havia alguns desafios de entrega de produtos químicos com os quais enfrentar.

A importância das válvulas no processo de ALD

Os fabricantes de semicondutores estão trabalhando para manter a precisão subnanômetro em filmes depositados sobre a área de uma pastilha de 300 mm de diâmetro. Esse é o equivalente em escala de aplicar uma camada de 1 cm de espessura sobre toda a superfície da lua. Em dispositivos semicondutores modernos, são necessários apenas alguns átomos extras de variação para influenciar visivelmente o desempenho do dispositivo.

Os fabricantes de semicondutores estão trabalhando para manter a precisão subnanômetro em filmes depositados sobre a área de um wafer de 300 mm de diâmetro. Isso é o equivalente em escala de aplicar uma camada de 1 cm de espessura sobre toda a superfície da lua.

Um fator importante que influencia as camadas depositadas é a concentração de produtos químicos nas etapas do processo da camada atômica. Isso requer alta precisão na quantidade de produto químico administrado durante cada dose. Válvulas ALD especializadas e de alta pureza são uma necessidade para interromper e iniciar o fluxo de produtos químicos na câmara de processo de forma precisa e consistente.

Características a serem observadas nas válvulas ALD

Considerando que um processo ALD geralmente envolve centenas de etapas de dosagem, as válvulas do processo têm muita ação – às vezes mais de um milhão de ciclos por semana. Assim, há uma necessidade de confiabilidade de ciclo muito alta. E como as válvulas de processo às vezes funcionam como o elemento limitador de fluxo no sistema, a capacidade e a consistência do fluxo podem ser importantes. A consistência do fluxo de válvula para válvula também pode ser importante para alcançar a correspondência do processo e manter um processo consistente após a troca das válvulas.

Considerando que um processo ALD geralmente envolve centenas de etapas de dosagem, as válvulas do processo têm muita ação - às vezes mais de um milhão de ciclos por semana. Assim, há uma necessidade de confiabilidade de ciclo muito alta.

O tempo de resposta de atuação e a consistência também são importantes—qualquer alteração no tempo de resposta da válvula que afete o comprimento da dose também afeta o volume da dose administrada. Por exemplo, um tempo de resposta de abertura de válvula mais rápido e um tempo de resposta de fechamento mais lento aumentam a duração da dose. Para um tempo de dose de 100 milissegundos, uma mudança de 3 milissegundos nos tempos de abertura e fechamento pode aumentar o volume da dose em 6%, o que em muitas aplicações da camada atômica seria bastante significativo para o resultado do processo.

A velocidade de atuação bruta também pode ajudar a melhorar a eficiência de um processo que às vezes pode envolver centenas de etapas de dosagem. A atuação mais rápida pode significar a redução do tempo de cada etapa, o que pode contribuir para uma redução significativa no processamento total hora.

Também é importante lembrar que válvulas com fluxo alto e consistente e atuação rápida e repetível só são úteis se forem compatíveis com os produtos químicos fornecidos e as temperaturas do sistema de entrega. Em muitos casos, particularmente em ALD, os precursores químicos podem condensar ou depositar em superfícies que não são mantidas a uma temperatura suficiente, o que pode ter efeitos negativos no processo.

Considerações adicionais do processo ALD

A repetibilidade do processo ALD está inequivocamente ligada à consistência e precisão das doses químicas discretas empregadas - e qualquer coisa que possa causar uma mudança ou diferença nas doses químicas causará uma mudança ou diferença no processo associado. Todos os equipamentos de deposição de camada atômica que existem entre o produto químico base e a superfície do wafer têm o potencial de influenciar a dose química, tornando importante selecionar tubos e conexões de alta qualidade em todo o sistema.



Finalmente, um sistema de acionamento pneumático que controla uma válvula de processo desempenha um papel importante na definição da velocidade e consistência de uma válvula ALD. Pressão e tolerância de atuação, tamanho e comprimento da tubulação de suprimento de ar e exaustão, válvulas piloto e até mesmo as conexões pneumáticas usadas podem afetar o sincronismo da válvula do processo, o que é importante em qualquer processo de camada atômica. Uma válvula de processo ALD ultraconsistente não é suficiente por si só - um sistema pneumático para operar a válvula e, em alguns casos, sensores para monitorar com precisão o desempenho da sincronização da válvula também é fundamental.

Como OEMs e Fabs podem alcançar consistência confiável de ALD

Trabalhar com uma equipe experiente que entende os desafios associados ao processo ALD é um bom primeiro passo. Fornecedores e consultores que entendem os desafios inerentes aos processos da camada atômica e que têm experiência em resolvê-los podem percorrer um longo caminho para aumentar a precisão e a consistência em seus processos ALD.



Na Swagelok, nossa equipe tem apoiado clientes em toda a indústria de semicondutores à medida que os processos da camada atômica evoluíram e amadureceram ao longo dos anos, e estamos felizes em continuar oferecendo nossa assistência ao longo dessa jornada contínua. Interessado em saber mais sobre como a tecnologia de válvula certa e as configurações do sistema podem ajudar a melhorar seus processos ALD? Estamos trabalhando continuamente para desenvolver as soluções certas para ajudar a preparar as fabs para o sucesso contínuo. Navegue em nosso portfólio ou entre em contato com nossos especialistas em semicondutores para saber mais.