Revolucionando a Produção de Semicondutores: Tecnologia Avançada de Válvulas ALD para Maior Precisão

Uma Nova Válvula. Três Razões Pelas Quais Ela Poderia Mudar a Fabricação de Semicondutores.

Matt Ferraro, Gerente de Produto, Semicondutores

O mercado de semicondutores não é fácil de navegar. Fabricantes de wafers de semicondutores estão sob pressão constante para manter precisão máxima em processos altamente complexos que envolvem materiais caros, gases corrosivos e temperaturas extremas. Há pouco espaço para erro, especialmente dada a tensão adicional de acompanhar a concorrência e demandas de tecnologia que evoluem rapidamente.

OEMs de ferramentas de semicondutores 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 alcançar mais em menos tempo sem sacrificar qualidade. Talvez mais importante, eles também devem olhar constantemente para o futuro, encontrando maneiras de permitir que fabricantes otimizem seus processos e entradas (como novos gases precursores) enquanto correm para inaugurar a próxima geração de tecnologia de chips.

Por anos, fabricantes de semicondutores viram a otimização de processos de deposição de camada atômica (ALD) como crítica para o sucesso de seus negócios. Essenciais para esses processos estão válvulas de ultra-alta pureza (UHP) altamente projetadas para entregar doses precisas de gases durante o processo de deposição usado para criar chips de semicondutores. Embora componentes relativamente pequenos, essas válvulas têm um enorme impacto no sucesso ou falha do processo de construção de chips.

Válvulas UHP usadas em processos ALD são bastante avançadas comparadas a válvulas comumente encontradas em aplicações industriais gerais, ainda assim fabricantes de semicondutores ainda se viram buscando desempenho mais alto quando se trata de fatores como estabilidade térmica e capacidade de vazão recentemente. As capacidades das válvulas ALD não mudaram drasticamente em muitos anos, ainda é aparente que mudança é necessária se a indústria de semicondutores deve alcançar novos níveis de inovação e produtividade.

Reconhecendo Espaço para Melhoria

Estabilidade Térmica

Válvulas UHP devem ser aquecidas a altas temperaturas durante o processo ALD para manter gases de baixa pressão de vapor de solidificar prematuramente. Os atuadores em válvulas de diafragma UHP existentes frequentemente não podem ser completamente imersos na caixa de gás, no entanto, e devem ser termicamente isolados para manter sua funcionalidade. Isso pode causar uma discrepância de temperatura entre diferentes componentes da válvula. Quando isso ocorre, resfriamento de gases transmitidos pode ocorrer, como visto na Figura 1, com diferentes cores representando temperaturas variadas.

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

Taxa de Vazão

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

Capacidade de Experimentar

Embora haja muitos desafios inerentes à fabricação de semicondutores hoje, também há uma necessidade de experimentar com novos processos e mídias que podem permitir vantagem competitiva amanhã.

Existe potencial para fabricantes melhorarem a tecnologia de microchips de hoje e processos ALD usando novos gases precursores altamente reativos, mas a tecnologia de válvulas ALD existente não fornece atualmente a taxa de vazão consistentemente alta necessária para evitar queda de pressão através da válvula, o que pode causar mudança de estado em gases de baixa pressão de vapor. A Figura 2 ilustra como a taxa de vazão pode impactar a queda de pressão em três válvulas diferentes.

Fabricantes podem reduzir a taxa de vazão em seu processo o suficiente para alcançar a baixa queda de pressão necessária para usar esses gases precursores de baixa pressão de vapor, mas fazer 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 fabricantes de semicondutores a descobrir o que vem a seguir sem sacrificar 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 sobre a tecnologia de válvulas ALD existente trazem 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 uma aplicação onde consistência é chave, agora há menos risco de acúmulo ou inconsistências de deposição comparado aos processos ALD de hoje. O design 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 fabricantes de semicondutores podem sentir confiança de que os gases fluindo através das válvulas ALD de próxima geração serão expostos a uma temperatura uniforme, tirando algum grau de variabilidade do processo. A Figura 3 mostra um estado ideal de estabilidade térmica, comparado à Figura 1 com suas temperaturas variadas.

2. As taxas de vazão podem ser muito maiores.

Líderes da indústria de semicondutores agora podem alcançar as maiores taxas de vazão que buscaram sem ter que comprometer limpeza ou longevidade do componente. Enquanto válvulas existentes podem oferecer um coeficiente de vazão de 0,6 Cv, novas válvulas podem oferecer o dobro da vazão (1,2 Cv) na mesma pegada (1,5 pol.), permitindo que fabricantes de ferramentas forneçam maior saída sem exigir retooling ou outras mudanças significativas de processo. Se, no entanto, um fabricante tiver a flexibilidade de implementar novas válvulas ALD com uma pegada ligeiramente maior (1,75 pol.), eles podem quase triplicar a taxa de vazão das válvulas ALD existentes, alcançando coeficientes de vazão de até 1,7 Cv.

Estas melhorias substanciais na capacidade de vazão são possíveis por novas válvulas ALD apresentando um design de fole em vez de um design de diafragma tradicional. Válvulas de fole são capazes de taxas de vazão 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 fabricantes passaram a esperar de válvulas de diafragma atualmente usadas no mercado. Na Figura 4, você pode ver o fole apresentado no centro da válvula. O novo design combina as melhores características de ambas as tecnologias de válvulas em uma válvula UHP com vida útil de ciclos ultra-alta.

3. Atributos de desempenho aprimorados permitem inovação.

Jogadores visionários na indústria de semicondutores agora estarão menos restritos de uma perspectiva de inovação. Nova tecnologia de válvulas ALD fornece o desempenho e durabilidade para permitir que fabricantes de semicondutores trabalhem em novas áreas da tabela periódica de elementos, experimentando com gases precursores de baixa pressão de vapor para encontrar materiais que possam realizar melhor do que o usado em processos ALD hoje. Além de manter temperatura consistente e permitir taxas de vazão mais altas, novas válvulas ALD estão sendo oferecidas em materiais altamente resistentes à corrosão como Liga 22, significando que químicas mais agressivas podem ser usadas para processamento sem preocupação com corrosão por pites ou fendas problemática.

Uma Opção Melhor para uma Indústria Exigente.

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

Enquanto fabricantes de ferramentas e fabricantes ajustam seus processos e designs de sistemas para fazer o melhor uso de componentes avançados como o ALD20, a Swagelok permanecerá dedicada à inovação e melhoria contínua por conta própria – parceriando com clientes para desenvolver a próxima solução para desafios da indústria. 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 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 seu centro local de vendas e serviços.