Optimieren von Halbleiter-ALD-Prozessen

Wie das richtige Ventil die Genauigkeit und Konsistenz in Ihrem ALD-Prozess verbessern kann

Masroor Malik, Marktmanager für Halbleiter, Swagelok

Die Herausforderung, den Durchsatz zu maximieren, kombiniert mit den immer komplexeren und präziseren Prozessen, die zur Herstellung der neuesten Mikrochips erforderlich sind, treibt die Halbleiterhersteller dazu, strengere und strengere Prozesskontrollen zu verfolgen. Das Erreichen engerer Leistungstoleranzen in Produktionsprozessen wie der Atomlagenabscheidung (ALD) ist entscheidend für die Optimierung der Chipausbeute in der Produktion.

Diese Präzision im Chemikaliendosier- und Abgabesystem ist ein kritisches Element eines optimal produktiven ALD-Prozesses. Und ein gut konzipiertes Ventilsteuerungssystem kann helfen. Wir werden die Gründe dafür untersuchen, beginnend mit einem wichtigen Rätsel, auf das Halbleiterwissenschaftler an einem entscheidenden Punkt in der laufenden Entwicklung der Technologie gestoßen – und überwunden – sind.

Eine kurze Geschichte der Halbleiterindustrie

Die Halbleiterindustrie begann in den 1960er Jahren im Silicon Valley, aber Ende der 1990er Jahre erwartete die wissenschaftliche Gemeinschaft ein bevorstehendes Hindernis für die Weiterentwicklung des Mooreschen Gesetzes – die Beobachtung, dass sich die Anzahl der Transistoren pro Siliziumchip alle zwei Jahre verdoppelt. Dies hing mit den technischen Grenzen herkömmlicher dielektrischer Schichten in Geräten zusammen, und die Industrie wusste, dass ein dielektrisches Material SiO₂ ersetzen sollte bald gebraucht werden.

Das war eine Herausforderung, weil SiO₂ war bequem zu „wachsen“ und behielt eine hervorragende Präzision und Gleichmäßigkeit auf Siliziumwafern bei. Die Abscheidung eines neuen dielektrischen Materials mit traditionelleren Abscheidungsverfahren wie CVD oder PVD wäre nicht einfach.

Damals entwickelte sich das ALD-Verfahren als neuartige Methode, um neue Materialien mit präzisen Schichtdicken aufzubringen. In den Anfangsstadien gab es einige große Eintrittsbarrieren, darunter langsame Abscheidungsraten, aber im Laufe der Zeit entwickelte die Industrie effektivere Methoden zur Implementierung von ALD in der Halbleiterfertigung. Es wurde schnell klar, dass ALD für die Zukunft der Halbleiterbauelementherstellung wichtig werden würde, aber es gab noch einige Herausforderungen bei der Lieferung von Chemikalien, mit denen man sich auseinandersetzen musste.

Die Bedeutung von Ventilen im ALD-Prozess

Halbleiterhersteller arbeiten daran, die Subnanometer-Präzision in abgeschiedenen Filmen über die Fläche eines Wafers mit 300 mm Durchmesser aufrechtzuerhalten. Das ist das maßstäbliche Äquivalent zum Auftragen einer 1 cm dicken Schicht auf der gesamten Mondoberfläche. In modernen Halbleiterbauelementen sind nur wenige zusätzliche Variationsatome erforderlich, um die Leistung des Bauelements merklich zu beeinflussen.

Halbleiterhersteller arbeiten daran, die Subnanometer-Präzision in abgeschiedenen Filmen über die Fläche eines Wafers mit 300 mm Durchmesser aufrechtzuerhalten. Das ist das maßstäbliche Äquivalent zum Auftragen einer 1 cm dicken Schicht auf der gesamten Mondoberfläche.

Ein Hauptfaktor, der die abgeschiedenen Schichten beeinflusst, ist die Konzentration von Chemikalien in den Atomschicht-Prozessschritten. Dies erfordert eine hohe Präzision bei der während jeder Dosis abgegebenen Chemikalienmenge. Spezielle, hochreine ALD-Ventile sind eine Notwendigkeit, um den Chemikalienfluss in die Prozesskammer präzise und gleichmäßig zu stoppen und zu starten.

Merkmale, auf die man bei ALD-Ventilen achten sollte

Wenn man bedenkt, dass ein ALD-Prozess oft Hunderte von Dosierschritten umfasst, werden die Prozessventile stark beansprucht – manchmal mehr als eine Million Zyklen pro Woche. Daher ist eine sehr hohe Zyklensicherheit erforderlich. Und da Prozessventile manchmal als durchflussbegrenzendes Element im System fungieren, können Durchflusskapazität und -konsistenz wichtig sein. Die Durchflusskonsistenz von Ventil zu Ventil kann auch wichtig sein, um eine Prozessanpassung zu erreichen und einen konsistenten Prozess aufrechtzuerhalten, nachdem Ventile gewechselt wurden.

Wenn man bedenkt, dass ein ALD-Prozess oft Hunderte von Dosierschritten umfasst, werden die Prozessventile stark beansprucht – manchmal mehr als eine Million Zyklen pro Woche. Daher ist eine sehr hohe Zyklensicherheit gefragt.

Ansprechzeit und Konsistenz der Betätigung sind ebenfalls wichtig – jede Änderung der Ventilansprechzeit, die sich auf die Dosislänge auswirkt, wirkt sich ebenfalls aus das Volumen der abgegebenen Dosis. Beispielsweise erhöhen eine schnellere Reaktionszeit beim Öffnen des Ventils und eine langsamere Reaktionszeit beim Schließen die Dosisdauer. Bei einer Dosierungszeit von 100 Millisekunden kann eine Verschiebung der Öffnungs- und Schließzeiten um 3 Millisekunden das Dosierungsvolumen um 6 % erhöhen, was bei vielen Atomschichtanwendungen für das Prozessergebnis von erheblicher Bedeutung wäre.

Die reine Betätigungsgeschwindigkeit kann auch dazu beitragen, die Effizienz eines Prozesses zu verbessern, der manchmal Hunderte von Dosierschritten umfassen kann. Eine schnellere Betätigung kann eine Verringerung der Zeit für jeden Schritt bedeuten, was zu einer erheblichen Verringerung der Gesamtverarbeitung beitragen kann Zeit.

Es ist auch wichtig, sich daran zu erinnern, dass Ventile mit hohem, gleichmäßigem Durchfluss und schneller, wiederholbarer Betätigung nur nützlich sind, wenn sie mit den zuzuführenden Chemikalien und den Temperaturen des Abgabesystems kompatibel sind. In vielen Fällen, insbesondere bei ALD, können die chemischen Vorläufer kondensieren oder sich auf Oberflächen ablagern, die nicht auf einer ausreichenden Temperatur gehalten werden, was negative Auswirkungen auf den Prozess haben kann.

Zusätzliche Überlegungen zum ALD-Prozess

Die Wiederholbarkeit des ALD-Prozesses ist eindeutig mit der Konsistenz und Genauigkeit der verwendeten diskreten Chemikaliendosen verbunden – und alles, was eine Änderung oder einen Unterschied in den Chemikaliendosen verursachen kann, führt zu einer Änderung oder einem Unterschied im zugehörigen Prozess. Alle Geräte zur Atomlagenabscheidung, die zwischen der Grundchemikalie und der Waferoberfläche vorhanden sind, haben das Potenzial, die Chemikaliendosis zu beeinflussen, weshalb es wichtig ist, im gesamten System hochwertige Schläuche und Anschlüsse auszuwählen.

Schließlich spielt ein pneumatisches Betätigungssystem, das ein Prozessventil steuert, eine wichtige Rolle bei der Definition der Geschwindigkeit und Beständigkeit eines ALD-Ventils. Betätigungsdruck und -toleranz, Größe und Länge der Luftzufuhr- und Abluftschläuche, Vorsteuerventile und sogar die verwendeten pneumatischen Anschlüsse können sich auf die Steuerzeiten der Prozessventile auswirken, was in jedem Atomschichtprozess wichtig ist. Ein ultrakonsistentes ALD-Prozessventil allein reicht nicht aus – ein pneumatisches System zum Betreiben des Ventils und in einigen Fällen Sensoren zur genauen Überwachung der Ventilsteuerungsleistung sind ebenfalls entscheidend.

Wie OEMs und Fabriken eine zuverlässige ALD-Konsistenz erreichen können

Die Zusammenarbeit mit einem sachkundigen Team, das die Herausforderungen im Zusammenhang mit dem ALD-Prozess versteht, ist ein guter erster Schritt. Lieferanten und Berater, die die mit Atomschichtprozessen verbundenen Herausforderungen verstehen und Erfahrung mit deren Lösung haben, können einen großen Beitrag zur Verbesserung der Genauigkeit und Konsistenz Ihrer ALD-Prozesse leisten.

Bei Swagelok hat unser Team Kunden in der gesamten Halbleiterindustrie unterstützt, während sich Atomschichtprozesse im Laufe der Jahre weiterentwickelt und ausgereift haben, und wir freuen uns, weiterhin unsere Unterstützung auf diesem Weg anzubieten. Möchten Sie mehr darüber erfahren, wie die richtige Ventiltechnologie und Systemkonfigurationen zur Verbesserung Ihrer ALD-Prozesse beitragen können? Wir arbeiten kontinuierlich daran, die richtigen Lösungen zu entwickeln, um Fabriken für dauerhaften Erfolg zu rüsten. Durchsuchen Sie unser Portfolio oder wenden Sie sich an unsere Halbleiterspezialisten, um mehr zu erfahren.