Pequena pegada, grande potencial:como as válvulas ALD aprimoradas catalisarão o sucesso dos semicondutores

Uma válvula nova. Três razões pelas quais isso pode mudar a fabricação de semicondutores.

Matt Ferraro, gerente de produto, semicondutor

O mercado de semicondutores não é fácil de navegar. Os fabricantes de wafer de semicondutores estão sob pressão constante para manter a máxima precisão em processos altamente complexos que envolvem materiais caros, gases corrosivos e temperaturas extremas. Há pouco espaço para erros, especialmente devido à tensão adicional de acompanhar a concorrência e as demandas de tecnologia em rápida evolução.

OEMs de ferramentas semicondutoras estão sob pressão semelhante. Eles trabalham continuamente para melhorar a eficiência de suas ferramentas e diferenciar seus designs de produtos dos concorrentes, para que os clientes possam obter mais em menos tempo sem sacrificar a qualidade. Talvez mais importante, eles também devem olhar constantemente para o futuro, encontrando maneiras de permitir que os fabricantes otimizem seus processos e insumos (como novos gases precursores) à medida que correm para inaugurar a próxima geração de tecnologia de chip.

Durante anos, os fabricantes de semicondutores consideraram a otimização dos processos de deposição de camada atômica (ALD) como fundamental para o sucesso de seus negócios. Essencial para esses processos são as válvulas de pureza ultra-alta (UHP) que são altamente projetadas para fornecer doses precisas de gases durante o processo de deposição usado para criar chips semicondutores. Embora sejam componentes relativamente pequenos, essas válvulas têm um enorme impacto no sucesso ou fracasso do processo de construção de cavacos.

As válvulas UHP usadas nos processos ALD são bastante avançadas em comparação com as válvulas comumente encontradas em aplicações industriais em geral, mas os fabricantes de semicondutores ainda buscam maior desempenho quando se trata de fatores como estabilidade térmica e capacidade de fluxo. As capacidades das válvulas ALD não mudaram drasticamente em muitos anos, mas é evidente que a mudança é necessária para que a indústria de semicondutores alcance novos níveis de inovação e produtividade.

Reconhecendo espaço para melhorias

Estabilidade Térmica

As válvulas UHP devem ser aquecidas a altas temperaturas durante o processo ALD para evitar que os gases de baixa pressão de vapor se solidifiquem prematuramente. Os atuadores nas válvulas de diafragma UHP existentes geralmente não podem ser completamente imersos na caixa de gás e devem ser isolados termicamente para manter sua funcionalidade. Isso pode causar uma discrepância de temperatura entre os diferentes componentes da válvula. Quando isso ocorre, pode ocorrer o resfriamento dos gases transmitidos, como pode ser visto na Figura 1, com cores diferentes representando temperaturas variáveis.

Isso é especialmente problemático ao usar precursores que exigem estabilidade de temperatura precisa para permanecer em um estado gasoso antes da deposição, resultando em acúmulo de resíduos indesejados, levando a dosagem inconsistente. Dada a importância da repetibilidade no mercado de semicondutores, a eliminação de qualquer potencial de variação ou inconsistência seria bem-vinda por muitos.

Taxa de fluxo

Outro desafio importante para OEMs e fabricantes de ferramentas de semicondutores é a capacidade de fluxo limitada das válvulas UHP existentes adequadas para processos ALD. Embora as válvulas de diafragma UHP existentes ofereçam vazões geralmente aceitáveis ​​até agora, essas taxas podem diminuir à medida que a válvula é aquecida. Aumentar as capacidades de vazão das válvulas pode aumentar a taxa na qual os fabricantes podem produzir wafers semicondutores – ou pelo menos permitir a eles mais flexibilidade de processo para garantir a estabilidade de seus gases precursores – potencialmente aumentando as receitas no processo.

Capacidade de experimentar

Embora existam muitos desafios inerentes à fabricação de semicondutores hoje, também há a necessidade de experimentar novos processos e meios que possam permitir vantagem competitiva amanhã.

Há potencial para os fabricantes melhorarem a tecnologia de microchip atual e os processos ALD usando novos gases precursores altamente reativos, mas a tecnologia de válvula ALD existente atualmente não fornece a taxa de fluxo consistentemente alta necessária para evitar a queda de pressão na válvula, o que pode fazer com que os gases de baixa pressão de vapor mudem de estado. A Figura 2 ilustra como a vazão pode afetar a queda de pressão em três válvulas diferentes.

Os fabricantes podem diminuir a taxa de fluxo em seu processo o suficiente para atingir a baixa queda de pressão necessária para usar esses gases precursores de baixa pressão de vapor, mas isso geralmente não é economicamente viável devido à queda necessária na eficiência geral do sistema. Melhorias na tecnologia de válvulas UHP serão a chave para ajudar os fabricantes de semicondutores a descobrir o que vem a seguir sem sacrificar a sustentabilidade financeira.

Três desafios, uma solução

A boa notícia é que a próxima geração de válvulas ALD está chegando ao mercado, e suas melhorias de design em relação à tecnologia de válvulas ALD existente são uma grande promessa para o futuro da fabricação de microchips. Aqui estão três razões para uma perspectiva positiva.

1. As válvulas são totalmente imersíveis na caixa de gás.

Em um aplicativo em que a consistência é fundamental, agora há menos risco de inconsistências de acúmulo ou deposição em comparação com os processos de ALD atuais. O projeto das novas válvulas ALD permite que toda a válvula seja aquecida até 200°C (392°F), pois o atuador não precisa ser isolado para manter sua integridade ou precisão de dosagem. Isso significa que os fabricantes de semicondutores podem se sentir confiantes de que os gases que fluem através das válvulas ALD de próxima geração serão expostos a uma temperatura uniforme, eliminando algum grau de variabilidade do processo. A Figura 3 mostra um estado ideal de estabilidade térmica, em comparação com a Figura 1 com suas temperaturas variadas.

2. As taxas de fluxo podem ser muito maiores.

Os líderes da indústria de semicondutores agora podem alcançar as maiores taxas de fluxo que buscavam sem comprometer a limpeza ou a longevidade dos componentes. Enquanto as válvulas existentes podem oferecer um coeficiente de fluxo de 0,6 Cv, as novas válvulas podem oferecer o dobro do fluxo (1,2 Cv) no mesmo espaço (1,5 pol.), permitindo que os fabricantes de ferramentas forneçam maior produção sem exigir reequipamento ou outras mudanças significativas no processo. Se, no entanto, um fabricante tiver a flexibilidade de implementar novas válvulas ALD com uma área de cobertura ligeiramente maior (1,75 pol.), eles podem quase triplicar a taxa de vazão das válvulas ALD existentes, atingindo coeficientes de vazão de até 1,7 Cv.

Essas melhorias substanciais na capacidade de fluxo são possibilitadas pelas novas válvulas ALD com design de fole em vez do design tradicional de diafragma. As válvulas de fole são capazes de vazões mais altas, e os foles dentro das novas válvulas ALD são altamente polidos para um acabamento de 5 μin Ra para alcançar o desempenho UHP que os fabricantes esperam das válvulas de diafragma atualmente usadas no mercado. Na Figura 4 você pode ver o fole no centro da válvula. O novo design combina os melhores recursos de ambas as tecnologias de válvula em uma válvula UHP com um ciclo de vida ultraelevado.

3. Atributos de desempenho aprimorados permitem inovação.

Os players com visão de futuro na indústria de semicondutores agora serão menos limitados do ponto de vista da inovação. A nova tecnologia de válvula ALD oferece desempenho e durabilidade para permitir que os fabricantes de semicondutores trabalhem em novas áreas da tabela periódica de elementos, experimentando gases precursores de baixa pressão de vapor para encontrar materiais que possam ter um desempenho melhor do que o que é usado nos processos ALD hoje. Além de manter a temperatura consistente e permitir taxas de fluxo mais altas, as novas válvulas ALD estão sendo oferecidas em materiais altamente resistentes à corrosão, como a liga 22, o que significa que produtos químicos mais agressivos podem ser usados ​​para processamento sem preocupação com corrosão por pites ou fendas problemáticas.

Uma opção melhor para uma indústria exigente.

Novas válvulas UHP, como a válvula UHP ALD20 lançada recentemente pela Swagelok, têm um grande potencial para mudar o mercado, dando aos fabricantes de semicondutores a deposição de alta qualidade de que precisam sem sacrificar a eficiência do processo. O que não mudará, no entanto, são as demandas competitivas e em rápida mudança dos fabricantes da indústria de semicondutores.

Enquanto os fabricantes de ferramentas e fabricantes ajustam seus processos e projetos de sistemas para fazer o melhor uso de componentes avançados como o ALD20, a Swagelok permanecerá dedicada à inovação e à melhoria contínua por direito próprio, em parceria com os clientes para desenvolver a próxima solução para os desafios do setor. Trabalhar no mercado de semicondutores significa permanecer em uma jornada constante de melhoria iterativa, e a Swagelok pode ajudá-lo nessa jornada.

Para saber mais sobre as válvulas UHP para a indústria de semicondutores, ou a nova válvula ALD20 da Swagelok em particular, visite os links abaixo. Para iniciar uma conversa sobre como suas operações podem se beneficiar da mais recente tecnologia de válvulas ALD, entre em contato com o centro de vendas e serviço local.