Как оптимизировать процесс производства полупроводников методом атомно-слоевого осаждения (ALD)

Как подходящий клапан может повысить точность и стабильность процесса ALD

Необходимость в максимальном повышении производительности в сочетании со все более сложными и прецизионными процессами, которые требуются для производства современных микросхем, вынуждает производителей полупроводников постоянно ужесточать контроль качества работ. Достижение более узкого диапазона допустимого изменения характеристик в производственных процессах, таких как атомно-слоевое осаждение (ALD), имеет решающее значение для оптимизации выхода годных кристаллов.

Такая точность в системе дозирования и подачи химических веществ является важнейшим элементом максимально продуктивного процесса ALD. В этом может помочь система управления клапанами с продуманной конструкцией. Мы рассмотрим причины, начав с непростой проблемы, с которой столкнулись и которую решили специалисты по полупроводникам в переломный момент развития технологии.

Узнайте о технологии ALD

Краткая история полупроводниковой промышленности

История полупроводниковой промышленности началась в Кремниевой долине в 1960-х годах, но в конце 1990-х ученые предположили, что закон Мура — наблюдение, согласно которому количество транзисторов, размещаемых на кремниевом кристалле, удваивается каждые два года, — будет нарушен. Это было связано с техническими ограничениями традиционных диэлектрических слоев в устройствах, поэтому стало очевидным, что вскоре понадобится диэлектрический материал на замену SiO₂.

Задача не из простых, поскольку SiO₂ было легко «выращивать» и он обеспечивал превосходную точность и однородность на кремниевых пластинах. Осаждение нового диэлектрического материала с помощью более традиционных методов осаждения, таких как химическое (CVD) или физическое (PVD) осаждение из паровой фазы, представляло трудность.

Тогда и появился процесс ALD в качестве нового способа нанесения новых материалов с высокоточной регулировкой толщины пленки. Поначалу с применением этого процесса возникли серьезные трудности, включая низкую скорость осаждения, но со временем были разработаны более эффективные способы использования ALD в производстве полупроводников. Вскоре стало понятно, что ALD будет играть важную роль в производстве полупроводниковых устройств, однако все еще имелись некоторые проблемы с подачей химических веществ, которые предстояло решить.

Важная роль клапанов в процессе ALD

Производители полупроводников стремятся обеспечивать субнанометровую точность осажденной пленки на пластине диаметром 300 мм. Это все равно что покрыть всю поверхность Луны слоем толщиной в 1 см. В современных полупроводниковых устройствах отклонения всего в несколько атомов будет достаточно, чтобы это заметно сказалось на работе устройства.

Производители полупроводников стремятся обеспечивать субнанометровую точность осажденной пленки на пластине диаметром 300 мм. Это все равно что покрыть всю поверхность Луны слоем толщиной в 1 см.

Основным фактором, влияющим на осажденные слои, является концентрация химических веществ на этапах атомно-слоевого осаждения. Требуется высочайшая точность в отношении количества химического вещества, подаваемого с каждой дозой. Специальные клапаны высокой степени чистоты для ALD необходимы для остановки и запуска подачи химических веществ в технологическую камеру с высокой степенью точности и единообразия.

Характеристики клапанов для ALD, на которые стоит обратить внимание

Поскольку в процессе ALD зачастую выполняются сотни операций дозирования, технологические клапаны испытывают большую нагрузку, иногда более миллиона циклов в неделю. В связи с этим должна быть обеспечена высочайшая циклическая надежность. И поскольку технологические клапаны иногда выполняют в системе функцию ограничителя подачи, особую важность приобретают пропускная способность и стабильность. Стабильность расхода от клапана к клапану также может быть важна для выполнения технологических требований и обеспечения единообразия процесса после замены клапанов.

Поскольку в процессе ALD зачастую выполняются сотни операций дозирования, технологические клапаны испытывают большую нагрузку, иногда более миллиона циклов в неделю. В связи с этим должна быть обеспечена высочайшая циклическая надежность.

Не менее важное значение имеют скорость срабатывания и стабильность — любые изменения в скорости срабатывания клапана, влияющие на интервал дозы, также влияют на объем доставленной дозы. Например, более высокая скорость срабатывания клапана на открытие и менее высокая скорость срабатывания на закрытие увеличивают интервал дозы. Если интервал дозы составляет 100 миллисекунд, изменение скорости срабатывания на открытие и закрытие в 3 миллисекунды может увеличить объем дозы на 6%, что для многих процессов атомно-слоевого осаждения будет означать существенное изменение результатов.

Неизменная скорость срабатывания также может повысить эффективность процесса, который в некоторых случаях может предусматривать сотни операций дозирования. Чем выше скорость срабатывания, тем меньше времени требуется на каждый этап, что может значительно сократить время операции.

Также следует учесть, что клапаны с высоким стабильным расходом и высокой постоянной скоростью срабатывания полезны только в том случае, если они совместимы с доставляемыми химическими веществами и температурой в системе подачи. Во многих случаях, в частности в процессе ALD, химические вещества — прекурсоры могут конденсироваться или осаждаться на поверхностях с недостаточной температурой, что может негативно отразиться на процессе.

Дополнительные факторы в процессе ALD, которые следует учитывать

Воспроизводимость процесса ALD напрямую зависит от однородности и точности отдельных доз химических веществ. Все, что может вызвать изменения или различия в дозах химических веществ, вызовет изменения или различия в соответствующем процессе. Все оборудование для атомно-слоевого осаждения, которое находится между основным химическим веществом и поверхностью пластины, может влиять на дозу химического вещества, поэтому во всей системе должны использоваться высококачественные трубки и фитинги.

И, наконец, система пневматического привода, управляющая технологическим клапаном, во многом определяет скорость и стабильность работы клапана для ALD. Давление срабатывания и допустимые отклонения, размер и длина трубок подачи и отвода воздуха, управляющие клапаны и даже пневматические фитинги — все это может повлиять на синхронизацию технологического клапана, что имеет особое значение в любом процессе атомно-слоевого осаждения. Одного лишь технологического клапана для ALD с повышенной стабильностью работы недостаточно — также необходима пневматическая система для управления клапаном и, в некоторых случаях, датчики для точного мониторинга синхронизации клапана.

Как изготовители комплектного оборудования и компании по производству интегральных схем могут добиться высокого уровня постоянства в процессе ALD

Первым шагом в правильном направлении станет сотрудничество с компетентной командой, понимающей трудности, связанные с процессом ALD. Поставщики и консультанты, которые понимают трудности, связанные с процессами атомно-слоевого осаждения, и которые имеют опыт их преодоления, могут оказать вам существенную поддержку в повышении точности и постоянства процессов ALD.

Сотрудники компании Swagelok помогали заказчикам, представляющим все отрасли полупроводниковой промышленности, в ходе развития и совершенствования процессов атомно-слоевого осаждения, и мы с радостью будем предлагать свою помощь в дальнейшем. Хотите узнать больше о том, как подходящие клапаны и конфигурации систем могут улучшить процессы ALD? Мы неустанно работаем над разработкой решений, которые помогут компаниям по производству интегральных схем добиться успеха. Чтобы узнать больше, ознакомьтесь с нашим ассортиментом или свяжитесь со специалистами по полупроводникам.

Смотреть клапаны для ALD