Halbleiterproduktion revolutionieren: Fortschrittliche ALD-Ventiltechnologie für höhere Präzision

Ein neues Ventil. Drei Gründe, warum es die Halbleiterfertigung verändern könnte.

Matt Ferraro, Product Manager, Semiconductor

Der Halbleitermarkt ist nicht einfach zu navigieren. Halbleiter-Wafer-Fertiger stehen unter ständigem Druck, maximale Präzision in hochkomplexen Prozessen aufrechtzuerhalten, die teure Materialien, korrosive Gase und extreme Temperaturen beinhalten. Es gibt wenig Spielraum für Fehler, besonders angesichts der zusätzlichen Belastung, mit dem Wettbewerb Schritt zu halten und sich schnell entwickelnden Technologieanforderungen.

Halbleiter-Tool-OEMs stehen unter ähnlichem Druck. Sie arbeiten kontinuierlich daran, die Effizienz ihrer Werkzeuge zu verbessern und ihre Produktdesigns von denen ihrer Wettbewerber zu differenzieren, damit Kunden mehr in kürzerer Zeit erreichen können, ohne Qualität zu opfern. Vielleicht noch wichtiger: Sie müssen auch ständig nach vorne schauen und Wege finden, Fertigern zu ermöglichen, ihre Prozesse und Inputs (wie neue Vorläufergase) zu optimieren, während sie rennen, um die nächste Generation der Chiptechnologie einzuläuten.

Seit Jahren sehen Halbleiterhersteller die Optimierung von Atomic Layer Deposition (ALD)-Prozessen als kritisch für den Erfolg ihrer Geschäfte an. Essentiell für diese Prozesse sind Ultrahochreine (UHP) Ventile, die hochentwickelt sind, um präzise Dosen von Gasen während des Abscheidungsprozesses zu liefern, der zur Erstellung von Halbleiterchips verwendet wird. Obwohl es sich um relativ kleine Komponenten handelt, haben diese Ventile einen enormen Einfluss auf den Erfolg oder Misserfolg des Chip-Bauprozesses.

UHP-Ventile, die in ALD-Prozessen verwendet werden, sind im Vergleich zu Ventilen, die in allgemeinen industriellen Anwendungen üblich sind, recht fortgeschritten, doch Halbleiterhersteller haben sich in letzter Zeit dennoch nach höherer Leistung gesehnt, wenn es um Faktoren wie thermische Stabilität und Durchflusskapazität geht. Die Fähigkeiten von ALD-Ventilen haben sich in vielen Jahren nicht drastisch geändert, doch es ist offensichtlich, dass Veränderung notwendig ist, wenn die Halbleiterindustrie neue Innovations- und Produktivitätsniveaus erreichen soll.

Verbesserungspotenzial erkennen

Thermische Stabilität

UHP-Ventile müssen während des ALD-Prozesses auf hohe Temperaturen erhitzt werden, um Gase mit niedrigem Dampfdruck vor vorzeitiger Verfestigung zu bewahren. Die Aktuatoren bestehender UHP-Membranventile können jedoch oft nicht vollständig in die Gasbox eingetaucht werden und müssen thermisch isoliert werden, um ihre Funktionalität zu erhalten. Dies kann zu einer Temperaturdiskrepanz zwischen verschiedenen Komponenten des Ventils führen. Wenn dies auftritt, kann eine Abkühlung der transportierten Gase eintreten, wie in Abbildung 1 zu sehen, wo verschiedene Farben unterschiedliche Temperaturen darstellen.

Dies ist besonders problematisch bei der Verwendung von Vorläufern, die präzise Temperaturstabilität benötigen, um vor der Abscheidung in einem gasförmigen Zustand zu bleiben, was zu unerwünschtem Rückstandsaufbau und inkonsistenter Dosierung führt. Angesichts der Bedeutung der Wiederholbarkeit im Halbleitermarkt wäre die Beseitigung jeglichen Potenzials für Varianz oder Inkonsistenz von vielen willkommen.

Durchflussrate

Eine weitere zentrale Herausforderung für Halbleiter-Tool-OEMs und Fertiger ist die begrenzte Durchflusskapazität bestehender UHP-Ventile, die für ALD-Prozesse geeignet sind. Während bestehende UHP-Membranventile Durchflussraten bieten, die bisher allgemein akzeptabel waren, können diese Raten abnehmen, wenn das Ventil erhitzt wird. Die Steigerung der Durchflussrate-Fähigkeiten von Ventilen könnte die Rate erhöhen, mit der Fertiger Halbleiter-Wafer produzieren können – oder ihnen zumindest mehr Prozessflexibilität ermöglichen, um die Stabilität ihrer Vorläufergase zu gewährleisten – was potenziell die Einnahmen steigern könnte.

Experimentierfähigkeit

Während es viele inhärente Herausforderungen in der Halbleiterfertigung gibt, besteht auch die Notwendigkeit, mit neuen Prozessen und Medien zu experimentieren, die morgen einen Wettbewerbsvorteil ermöglichen können.

Es besteht Potenzial für Fertiger, die heutige Mikrochip-Technologie und ALD-Prozesse durch den Einsatz neuer hochreaktiver Vorläufergase zu verbessern, aber bestehende ALD-Ventiltechnologie bietet derzeit nicht die konsistent hohe Durchflussrate, die notwendig ist, um Druckabfall über das Ventil zu vermeiden, was dazu führen kann, dass Gase mit niedrigem Dampfdruck ihren Aggregatzustand ändern. Abbildung 2 veranschaulicht, wie die Durchflussrate den Druckabfall in drei verschiedenen Ventilen beeinflussen kann.

Fertiger können die Durchflussrate in ihrem Prozess weit genug verlangsamen, um den niedrigen Druckabfall zu erreichen, der für die Verwendung dieser Vorläufergase mit niedrigem Dampfdruck erforderlich ist, aber dies ist im Allgemeinen nicht wirtschaftlich tragfähig, da der erforderliche Rückgang der Gesamtsystemeffizienz. Verbesserungen in der UHP-Ventiltechnologie werden der Schlüssel sein, um Halbleiterherstellern zu helfen, das Nächste zu entdecken, ohne finanzielle Nachhaltigkeit zu opfern.

Drei Herausforderungen, eine Lösung

Die gute Nachricht ist, dass die nächste Generation von ALD-Ventilen auf den Markt kommt, und ihre Designverbesserungen gegenüber der bestehenden ALD-Ventiltechnologie große Versprechungen für die Zukunft der Mikrochipfertigung bergen. Hier sind drei Gründe für einen positiven Ausblick.

1. Die Ventile sind vollständig in der Gasbox eintauchbar.

In einer Anwendung, wo Konsistenz der Schlüssel ist, besteht jetzt weniger Risiko von Ablagerungen oder Abscheidungsinkonsistenzen im Vergleich zu heutigen ALD-Prozessen. Das Design neuer ALD-Ventile ermöglicht es, das gesamte Ventil auf bis zu 200 °C (392 °F) zu erhitzen, da der Aktuator nicht isoliert werden muss, um seine Integrität oder Dosierpräzision zu erhalten. Das bedeutet, dass Halbleiterfertiger sicher sein können, dass die durch die ALD-Ventile der nächsten Generation strömenden Gase einer einheitlichen Temperatur ausgesetzt sind, was einen gewissen Grad an Variabilität aus dem Prozess nimmt. Abbildung 3 zeigt einen idealen Zustand thermischer Stabilität im Vergleich zu Abbildung 1 mit ihren variierenden Temperaturen.

2. Die Durchflussraten können viel höher sein.

Halbleiterbranchenführer können nun die höheren Durchflussraten erreichen, die sie gesucht haben, ohne bei Sauberkeit oder Komponentenlebensdauer Kompromisse eingehen zu müssen. Während bestehende Ventile vielleicht einen Cv-Durchflusskoeffizienten von 0,6 bieten, können neue Ventile den doppelten Durchfluss (1,2 Cv) im gleichen Footprint (1,5 Zoll) bieten, was Tool-Herstellern ermöglicht, größeren Output ohne Neukonfiguration oder andere signifikante Prozessänderungen zu liefern. Wenn ein Fertiger jedoch die Flexibilität hat, neue ALD-Ventile mit einem etwas größeren Footprint (1,75 Zoll) zu implementieren, können sie die Durchflussrate bestehender ALD-Ventile fast verdreifachen und Durchflusskoeffizienten von bis zu 1,7 Cv erreichen.

Diese substanziellen Verbesserungen der Durchflusskapazität werden durch neue ALD-Ventile mit einem Balgdesign anstelle eines traditionellen Membrandesigns ermöglicht. Balgventile sind zu höheren Durchflussraten fähig, und die Balge in neuen ALD-Ventilen sind hochglanzpoliert auf ein 5 µin Ra Finish, um die UHP-Leistung zu erreichen, die Hersteller von derzeit im Markt verwendeten Membranventilen erwarten. In Abbildung 4 sehen Sie den Balg im Zentrum des Ventils. Das neue Design kombiniert die besten Eigenschaften beider Ventiltechnologien in einem UHP-Ventil mit ultrahoher Zyklenlebensdauer.

3. Verbesserte Leistungsattribute ermöglichen Innovation.

Vorausdenkende Akteure in der Halbleiterindustrie werden nun aus Innovationsperspektive weniger eingeschränkt. Neue ALD-Ventiltechnologie bietet die Leistung und Haltbarkeit, um Halbleiterhersteller in neue Bereiche des Periodensystems der Elemente arbeiten zu lassen, indem sie mit Vorläufergasen mit niedrigem Dampfdruck experimentieren, um Materialien zu finden, die besser abschneiden könnten als das, was heute in ALD-Prozessen verwendet wird. Neben der Aufrechterhaltung konstanter Temperatur und der Ermöglichung höherer Durchflussraten werden neue ALD-Ventile in hochkorrosionsbeständigen Materialien wie Legierung 22 angeboten, was bedeutet, dass aggressivere Chemikalien für die Verarbeitung verwendet werden können, ohne sich um problematische Lochfraß- oder Spaltkorrosion sorgen zu müssen.

Eine bessere Option für eine anspruchsvolle Industrie.

Neue UHP-Ventile, wie Swageloks kürzlich veröffentlichtes UHP ALD20 Ventil, haben großes Potenzial, den Markt zu verändern, indem sie Halbleiterherstellern die hochwertige Abscheidung geben, die sie brauchen, ohne Prozesseffizienz zu opfern. Was sich nicht ändern wird, sind die kompetitiven, sich schnell verschiebenden Anforderungen an Hersteller in der Halbleiterindustrie.

Während Werkzeughersteller und Fertiger ihre Prozesse und Systemdesigns anpassen, um den besten Gebrauch von fortschrittlichen Komponenten wie dem ALD20 zu machen, wird Swagelok in eigener Verantwortung der Innovation und kontinuierlichen Verbesserung gewidmet bleiben – indem es mit Kunden partnerschaftlich die nächste Lösung für Branchenherausforderungen entwickelt. In der Halbleiterbranche zu arbeiten bedeutet, auf einer ständigen Reise der iterativen Verbesserung zu bleiben, und Swagelok kann Sie auf dieser Reise unterstützen.

Um mehr über UHP-Ventile für die Halbleiterindustrie oder Swageloks neues ALD20 Ventil im Besonderen zu erfahren, besuchen Sie die untenstehenden Links. Um ein Gespräch darüber zu beginnen, wie Ihre Operationen von der neuesten ALD-Ventiltechnologie profitieren könnten, kontaktieren Sie Ihr lokales Vertriebs- und Servicecenter.