Dominando ALD de Semicondutores: Estratégias para Precisão e Eficiência

Como a Válvula Certa Pode Melhorar Precisão e Consistência no Seu Processo ALD

Masroor Malik, Gerente de Mercado para Semicondutores, Swagelok

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

Esta precisão no sistema de dosagem e entrega química é um elemento crítico de um processo ALD otimamente produtivo. E um sistema de controle de válvula bem projetado pode ajudar. Exploraremos as razões, começando com um importante enigma que 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 nos anos 1960, mas no final dos anos 1990, a comunidade científica antecipava uma barreira iminente para a 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 de camadas dielétricas tradicionais em dispositivos, e a indústria sabia que um material dielétrico para substituir SiO₂ seria necessário em breve.

Este foi um desafio porque SiO₂ era conveniente de "crescer" e mantinha excelente precisão e uniformidade em wafers 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 emergiu como uma nova maneira de aplicar novos materiais com espessuras de filme precisas. Nos estágios iniciais, havia algumas barreiras maiores para entrada, incluindo taxas de deposição lentas, mas ao longo do tempo a indústria desenvolveu maneiras mais eficazes de implementar ALD na fabricação de semicondutores. Rapidamente ficou claro que ALD se tornaria importante para o futuro da fabricação de dispositivos semicondutores, mas ainda havia alguns desafios de entrega química com os quais lidar.

A Importância das Válvulas no Processo ALD

Fabricantes de semicondutores estão trabalhando para manter precisão subnanométrica em filmes depositados sobre a área de um wafer de 300 mm de diâmetro. Esse é o equivalente escalado de aplicar uma camada de 1 cm de espessura sobre toda a superfície da lua. Em dispositivos semicondutores modernos, bastam alguns átomos extras de variação para influenciar noticeavelmente o desempenho do dispositivo.

Fabricantes de semicondutores estão trabalhando para manter precisão subnanométrica em filmes depositados sobre a área de um wafer de 300 mm de diâmetro. Esse é o equivalente escalado de aplicar uma camada de 1 cm de espessura sobre toda a superfície da lua.

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

Características a Buscar em Válvulas ALD

Considerando que um processo ALD frequentemente envolve centenas de etapas de dosagem, as válvulas de processo veem muita ação — às vezes mais de um milhão de ciclos por semana. Assim, há uma necessidade de confiabilidade de ciclo muito alta. E porque válvulas de processo às vezes funcionam como o elemento limitante de fluxo no sistema, capacidade de fluxo e consistência podem ser importantes. Consistência de fluxo de válvula para válvula também pode ser importante para alcançar correspondência de processo e manter um processo consistente após válvulas serem trocadas.

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

Tempo de resposta de atuação e consistência também são importantes — qualquer mudança no tempo de resposta da válvula que impacte o comprimento da dose também impacta o volume da dose entregue. Por exemplo, um tempo de resposta de abertura mais rápido e tempo de fechamento mais lento aumentam o comprimento 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 de camada atômica seria bastante significativo para o resultado do processo.

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

Também é importante lembrar que válvulas com alto fluxo consistente e atuação rápida e repetível são apenas úteis se forem compatíveis com os produtos químicos sendo entregues 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 ruins no processo.

Considerações Adicionais do Processo ALD

Repetibilidade do processo ALD é 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. Todo equipamento de deposição de camada atômica que existe entre o produto químico base e a superfície do wafer tem o potencial de influenciar a dose química, tornando importante selecionar tubulação e conexões de alta qualidade por todo o sistema.

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

Como OEMs e Fabs Podem Alcançar Consistência ALD Confiável

Trabalhar com uma equipe conhecedora que entende os desafios associados ao processo ALD é um bom primeiro passo. Fornecedores e consultores que entendem os desafios inerentes a processos de camada atômica e que têm experiência resolvendo-os podem ir longe no sentido de aumentar precisão e consistência em seus processos ALD.

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