Petite taille, gros potentiel : comment le perfectionnement des vannes ALD va accélérer la réussite des fabricants de semi-conducteurs

Une nouvelle vanne. Trois raisons pour lesquelles elle pourrait révolutionner le secteur des semi-conducteurs.

Matt Ferraro

Le marché des semi-conducteurs est un marché difficile. Les fabricants de wafers semi-conducteurs sont constamment sous pression pour maintenir une précision maximale dans des procédés de fabrication très complexes, qui mettent en œuvre des matériaux coûteux, des gaz corrosifs et des températures extrêmes. Il y a peu de place à l'erreur, compte tenu notamment de la concurrence et de l’évolution rapide des technologies qui sont autant de contraintes supplémentaires.

Les fabricants d’outillage pour ce secteur connaissent la même pression. Ils s’efforcent en permanence d’améliorer l'efficience de leurs outils et de se démarquer de leurs concurrents sur le plan de la conception, afin que leurs clients puissent produire davantage et plus vite sans renoncer à la qualité. Point peut-être plus important encore, ils doivent constamment se projeter dans l’avenir et trouver des moyens pour permettre aux fabricants d'optimiser leurs procédés et l’utilisation de leurs facteurs de production (des nouveaux gaz précurseurs par exemple), ouvrant la voie vers de nouvelles technologies dans la fabrication des puces électroniques.

Pendant des années, les fabricants de semi-conducteurs ont vu dans l'optimisation du dépôt par couche atomique (ALD) un facteur indispensable à la réussite de leurs entreprises. Composants essentiels de ces procédés, les vannes très haute pureté (UHP) sont des vannes très sophistiquées, conçues pour délivrer des quantités très précises de gaz au cours du procédé de dépôt utilisé pour fabriquer des puces semi-conductrices. Bien qu’il s’agisse de composants relativement petits, le bon déroulement du processus de fabrication des puces dépend très fortement de ces vannes.

Les vannes très haute pureté utilisées dans les procédés de dépôt par couche atomique sont des vannes très sophistiquées par rapport aux vannes utilisées habituellement dans des applications industrielles générales. Pourtant, ces derniers temps, les fabricants de semi-conducteurs se sont mis à la recherche de vannes aux performances supérieures, notamment sur le plan de la stabilité thermique et de la capacité de débit. Les capacités des vannes ALD n'ont pas radicalement évolué depuis de nombreuses années, alors qu’il est évident qu’une évolution est nécessaire pour relancer l’innovation et améliorer encore la productivité dans le secteur des semi-conducteurs .

Des possibilités d’amélioration réelles

La stabilité thermique

Le procédé de dépôt par couche atomique nécessite de chauffer les vannes à des températures élevées pour empêcher des gaz à faible pression de vapeur saturante de se solidifier prématurément. Il est souvent impossible d’immerger complètement les actionneurs montés sur les vannes à membrane actuelles dans l’unité d’alimentation en gaz et il est nécessaire de les isoler pour préserver leur fonctionnalité. Cela peut entraîner des écarts de température entre les différents composants de la vanne. Lorsque cela se produit, on peut constater un refroidissement des gaz acheminés, comme le montre la figure 1 sur laquelle ces variations de la température sont représentées par différentes couleurs.

Cela est particulièrement problématique lorsque l’on utilise des précurseurs nécessitant une température précise et stable pour rester à l'état gazeux avant le dépôt. Il en résulte une accumulation de résidus indésirables conduisant à un dosage irrégulier. Compte tenu de l'importance de la répétabilité du procédé, des progrès permettant d’éliminer tout risque de variabilité ou d’irrégularité seraient accueillis avec satisfaction par de nombreux fabricants du secteur.

Le débit

Un autre problème de taille pour les fabricants de puces semi-conductrices et les fabricants d’outils pour ce secteur est la capacité de débit limitée des vannes très haute pureté actuellement utilisés dans les procédés de dépôt chimique en phase gazeuse. Si le débit des vannes à membrane actuelles a été jugé généralement acceptable jusqu'à présent, il tend toutefois à diminuer lorsque la vanne est chauffée. Améliorer les capacités de débit des vannes pourrait accélérer le rythme de production des wafers – ou du moins apporter une plus grande souplesse au procédé permettant d’assurer la stabilité des gaz précurseurs – et potentiellement accroître la rentabilité du procédé.

La possibilité d’expérimenter

Alors que les défis inhérents à la fabrication de semi-conducteurs sont actuellement nombreux, il est également nécessaire de tester de nouveaux procédés et de nouveaux fluides susceptibles de donner demain un avantage compétitif.

Les fabricants auraient la possibilité d'améliorer la technologie actuelle des puces électroniques et des procédés de dépôt par couche atomique en utilisant des gaz précurseurs extrêmement légers, mais les vannes ALD existantes n’offrent pas le débit élevé et régulier nécessaire pour éviter une chute de pression dans la vanne, ce qui peut entraîner un changement d’état des gaz à faible pression de vapeur saturante. La figure 2 illustre l’incidence du débit sur les pertes de charge dans trois vannes différentes.

Les fabricants ont la possibilité d’abaisser le débit suffisamment pour obtenir une faible chute de pression permettant d’utiliser des gaz précurseurs à faible pression de vapeur saturante. Cependant, procéder de la sorte n’est généralement pas viable sur le plan économique en raison de la baisse de rentabilité du système dans sa globalité. C’est en améliorant la technologie des vannes très haute pureté que les fabricants pourront passer à la prochaine étape sans pour autant remettre en cause la viabilité financière de leurs installations.

Trois problèmes, une solution

La bonne nouvelle est l’arrivée sur le marché des vannes ALD de nouvelle génération , dont la conception par rapport aux modèles précédents permet d’envisager un avenir très prometteur pour les fabricants de puces électroniques. Trois raisons expliquent cette vision positive.

1. Les vannes peuvent être immergées complètement dans l’unité d’alimentation en gaz.

Dans une application où l’uniformité est essentielle, le risque d’accumulations ou de dépôts irréguliers sera moindre avec les nouveaux procédés par rapport aux procédés utilisés aujourd'hui. La conception des nouvelles vannes ALD permet de chauffer la vanne entière jusqu’à 200°C (392°F), car l'actionneur n'a pas besoin d'être isolé pour qu’il conserve son intégrité ou pour préserver la précision du dosage. Cela signifie que les fabricants de semi-conducteurs peuvent être assurés que les gaz circulant à travers les vannes ALD de nouvelle génération seront maintenus à une température constante, ce qui retire un certain degré de variabilité du procédé de fabrication. La figure 3 montre un état de stabilité thermique idéal, à comparer avec les températures variables représentées sur la figure 1.

2. Les débits peuvent être beaucoup plus élevés.

Les entreprises leaders du secteur des semi-conducteurs disposent désormais de vannes offrant les débits supérieurs souhaités, sans qu’elles aient à faire des concessions sur la propreté ou la durée de vie des composants. Alors que les vannes existantes peuvent avoir un coefficient de débit (Cv) de 0,6, celui des nouvelles vannes est de 1,2 pour un encombrement identique (1,5 po), ce qui permet d'accroître la production sans que le matériel en place ne doive être réorganisé ou que le procédé n’ait à subir d’importantes modifications. Toutefois, si un fabricant a la possibilité d’utiliser une nouvelle vanne ALD légèrement plus grosse (1,75 po), il peut alors tripler le débit par rapport aux vannes actuelles, avec des coefficients de débit (Cv) pouvant atteindre 1,7.

Cette augmentation importante de la capacité de débit est rendue possible par l’utilisation d’une vanne à soufflet en remplacement de la vanne à membrane traditionnellement utilisée jusqu’à aujourd'hui. Les vannes à soufflet ont des capacités de débit supérieures et le soufflet utilisé à l’intérieur des nouvelles vannes ALD est poli jusqu’à obtenir un Ra de 0,13 µm (5 µpo). Ces vannes sont donc conformes aux critères de très haute pureté des vannes à membrane actuellement utilisées par les fabricants. Le soufflet est visible au centre de la vanne sur la figure 4. Cette nouvelle conception rassemble le meilleur des deux technologies en une vanne très haute pureté d’une très longue durée de vie.

3. Des performances supérieures permettent d'innover.

Les acteurs avant-gardistes du secteur des semi-conducteurs seront désormais moins contraints d’un point de vue de l'innovation. Les performances et la durabilité des nouvelles vannes ALD permettent aux fabricants de semi-conducteurs de s’aventurer dans de nouveaux secteurs du tableau périodique des éléments et de tester des gaz précurseurs à faible pression de vapeur saturante susceptibles de produire de meilleurs résultats que les précurseurs utilisés aujourd'hui. En plus de maintenir la température constante et de permettre des débits plus élevés, les nouvelles vannes ALD sont proposées dans des matériaux très résistants à la corrosion comme l'alliage 22, ce qui signifie que des produits chimiques plus agressifs peuvent être utilisés pour le traitement sans avoir à se soucier d’éventuels problèmes de corrosion par piqûres ou de corrosion caverneuse.

Une meilleure option pour un secteur exigeant.

Les nouvelles vannes très haute pureté, telles que la released vanne ALD20 récemment mise sur le marché par Swagelok, ont la capacité de transformer le secteur des semi-conducteurs, en offrant aux fabricants la possibilité de réaliser les dépôts de qualité dont ils ont besoin sans remettre en cause la rentabilité du procédé. Ce qui ne changera pas, cependant, pour les fabricants du secteur des semi-conducteurs, ce sont des impératifs de compétitivité qui évoluent rapidement.

Alors que les fabricants d'outils et de semi-conducteurs adaptent leurs procédés et la conception de leurs systèmes afin de tirer le meilleur parti de composants sophistiqués comme la vanne ALD20, Swagelok restera attachée à l'innovation et à l'amélioration continue pour elles-mêmes – et s’associera avec des clients pour trouver la prochaine solution aux défis du secteur. Travailler dans le secteur des semi-conducteurs implique d’apporter constamment des améliorations aux procédés et aux systèmes, et Swagelok peut vous aider en cela.

Pour en savoir plus sur les vannes très haute pureté destinées au secteur des semi-conducteurs, ou sur la nouvelle vanne ALD20 de Swagelok en particulier, cliquez sur les liens ci-dessous. Pour discuter des avantages que vous auriez à utiliser notre toute dernière vanne ALD dans votre entreprise, contactez votre point de vente et centre de services.

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