Kleiner Platzbedarf, großes Potenzial:Wie verbesserte ALD-Ventile den Halbleitererfolg katalysieren

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

Matt Ferraro, Produktmanager, Halbleiter

Der Halbleitermarkt ist nicht einfach zu navigieren. Hersteller von Halbleiterwafern stehen unter ständigem Druck, in hochkomplexen Prozessen, die teure Materialien, korrosive Gase und extreme Temperaturen beinhalten, maximale Präzision aufrechtzuerhalten. Es gibt wenig Raum für Fehler, insbesondere angesichts der zusätzlichen Belastung, mit dem Wettbewerb Schritt zu halten und sich schnell entwickelnde Technologieanforderungen zu erfüllen.

OEMs von Halbleiterwerkzeugen stehen unter ähnlichem Druck. Sie arbeiten kontinuierlich daran, die Effizienz ihrer Tools zu verbessern und ihre Produktdesigns von denen ihrer Mitbewerber abzuheben, damit Kunden in kürzerer Zeit mehr erreichen können, ohne auf Qualität verzichten zu müssen. Vielleicht noch wichtiger ist, dass sie auch ständig nach vorne schauen und Wege finden müssen, damit Hersteller ihre Prozesse und Inputs (z. B. neue Vorläufergase) optimieren können, während sie um die Einführung der nächsten Generation der Chiptechnologie kämpfen.

Seit Jahren betrachten Halbleiterhersteller die Optimierung von Atomlagenabscheidungsprozessen (ALD) als kritisch für den Erfolg ihrer Unternehmen. Wesentlich für diese Prozesse sind ultrahochreine (UHP) Ventile, die hochentwickelt sind, um während des Abscheidungsprozesses, der zur Herstellung von Halbleiterchips verwendet wird, präzise Gasdosen abzugeben. Obwohl diese Ventile relativ kleine Komponenten sind, haben sie einen großen Einfluss auf den Erfolg oder Misserfolg des Chipherstellungsprozesses.

UHP-Ventile, die in ALD-Prozessen verwendet werden, sind im Vergleich zu Ventilen, die üblicherweise in allgemeinen Industrieanwendungen zu finden sind, ziemlich fortschrittlich, dennoch suchen Halbleiterhersteller in letzter Zeit immer noch nach höherer Leistung, wenn es um Faktoren wie thermische Stabilität und Durchflusskapazität geht. Die Fähigkeiten von ALD-Ventilen haben sich seit vielen Jahren nicht drastisch verändert, aber es ist offensichtlich, dass Veränderungen erforderlich sind, wenn die Halbleiterindustrie ein neues Maß an Innovation und Produktivität erreichen soll.

Verbesserungspotenzial erkennen

Thermische Stabilität

UHP-Ventile müssen während des ALD-Prozesses auf hohe Temperaturen erhitzt werden, um zu verhindern, dass Gase mit niedrigem Dampfdruck vorzeitig erstarren. Die Antriebe bestehender UHP-Membranventile können jedoch oft nicht vollständig in den Gaskasten eintauchen und müssen thermisch isoliert werden, um ihre Funktionsfähigkeit zu erhalten. Dies kann zu Temperaturunterschieden zwischen verschiedenen Komponenten des Ventils führen. Wenn dies auftritt, kann es zu einer Abkühlung der übertragenen Gase kommen, wie in Abbildung 1 zu sehen ist, wobei unterschiedliche Farben unterschiedliche Temperaturen darstellen.

Dies ist besonders problematisch, wenn Vorläufer verwendet werden, die eine genaue Temperaturstabilität erfordern, um vor der Abscheidung in einem gasförmigen Zustand zu bleiben, was zu einer unerwünschten Ansammlung von Rückständen führt, die zu einer ungleichmäßigen Dosierung führt. Angesichts der Bedeutung der Wiederholbarkeit auf dem Halbleitermarkt würde die Eliminierung jeglicher Möglichkeit von Abweichungen oder Inkonsistenzen von vielen begrüßt werden.

Durchflussrate

Eine weitere wichtige Herausforderung für OEMs und Hersteller von Halbleiterwerkzeugen ist die begrenzte Durchflusskapazität bestehender UHP-Ventile, die für ALD-Prozesse geeignet sind. Während bestehende UHP-Membranventile bisher im Allgemeinen akzeptable Durchflussraten bieten, können diese Raten bei Erwärmung des Ventils abnehmen. Die Erhöhung der Durchflussraten von Ventilen könnte die Geschwindigkeit erhöhen, mit der Hersteller Halbleiterwafer herstellen können – oder ihnen zumindest mehr Prozessflexibilität ermöglichen, um die Stabilität ihrer Vorläufergase sicherzustellen – und damit möglicherweise die Einnahmen im Prozess steigern.

Fähigkeit zum Experimentieren

Während die Halbleiterfertigung heute viele Herausforderungen mit sich bringt, besteht auch die Notwendigkeit, mit neuen Prozessen und Medien zu experimentieren, die morgen Wettbewerbsvorteile ermöglichen können.

Hersteller können die heutige Mikrochiptechnologie und ALD-Prozesse verbessern, indem sie neue hochreaktive Vorläufergase verwenden, aber die bestehende ALD-Ventiltechnologie bietet derzeit nicht die konstant hohe Durchflussrate, die erforderlich ist, um einen Druckabfall über dem Ventil zu vermeiden, was möglich ist bewirken, dass Gase mit niedrigem Dampfdruck ihren Zustand ändern. Abbildung 2 zeigt, wie sich die Durchflussrate auf den Druckabfall in drei verschiedenen Ventilen auswirken kann.

Hersteller können die Durchflussrate in ihrem Prozess ausreichend verlangsamen, um den geringen Druckabfall zu erreichen, der für die Verwendung dieser Vorläufergase mit niedrigem Dampfdruck erforderlich ist, aber dies ist im Allgemeinen aufgrund des erforderlichen Abfalls der Gesamtsystemeffizienz nicht wirtschaftlich. Verbesserungen in der UHP-Ventiltechnologie werden der Schlüssel sein, um Halbleiterherstellern dabei zu helfen, die nächsten Schritte zu entdecken, ohne die 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 sind vielversprechend für die Zukunft der Mikrochipherstellung. Hier sind drei Gründe für einen positiven Ausblick.

1. Die Ventile sind vollständig in den Gaskasten eintauchbar.

In einer Anwendung, bei der es auf Konsistenz ankommt, besteht jetzt im Vergleich zu den heutigen ALD-Prozessen ein geringeres Risiko von Aufbau- oder Abscheidungsinkonsistenzen. Das Design der neuen ALD-Ventile ermöglicht eine Erwärmung des gesamten Ventils auf bis zu 200 °C (392 °F), da der Aktuator nicht isoliert werden muss, um seine Integrität oder Dosiergenauigkeit zu erhalten. Dies bedeutet, dass Halbleiterhersteller darauf vertrauen können, dass die durch die ALD-Ventile der nächsten Generation strömenden Gase einer einheitlichen Temperatur ausgesetzt werden, wodurch ein gewisses Maß an Schwankungen aus dem Prozess genommen wird. Abbildung 3 zeigt einen idealen Zustand der thermischen Stabilität im Vergleich zu Abbildung 1 mit seinen unterschiedlichen Temperaturen.

2. Die Durchflussraten können viel höher sein.

Führende Unternehmen der Halbleiterindustrie können jetzt die gewünschten höheren Durchflussraten erreichen, ohne Kompromisse bei der Sauberkeit oder Langlebigkeit der Komponenten eingehen zu müssen. Während vorhandene Ventile einen Durchflusskoeffizienten von 0,6 Cv bieten, können neue Ventile den doppelten Durchfluss (1,2 Cv) bei gleicher Grundfläche (1,5 Zoll) bieten, sodass Werkzeughersteller eine höhere Leistung erbringen können, ohne dass Umrüstungen oder andere signifikante Prozessänderungen erforderlich sind. Wenn ein Hersteller jedoch die Flexibilität hat, neue ALD-Ventile mit einer etwas größeren Grundfläche (1,75 Zoll) zu implementieren, kann er die Durchflussrate bestehender ALD-Ventile fast verdreifachen und Durchflusskoeffizienten von bis zu 1,7 Cv erreichen.

Diese erheblichen Verbesserungen der Durchflusskapazität werden durch neue ALD-Ventile ermöglicht, die ein Faltenbalgdesign anstelle eines herkömmlichen Membrandesigns aufweisen. Faltenbalgventile sind für höhere Durchflussraten geeignet, und die Faltenbälge in den neuen ALD-Ventilen sind auf 5 μin Ra hochglanzpoliert, um die UHP-Leistung zu erreichen, die Hersteller von derzeit auf dem Markt verwendeten Membranventilen erwarten. In Abbildung 4 sehen Sie den Faltenbalg in der Mitte des Ventils. Das neue Design kombiniert die besten Eigenschaften beider Ventiltechnologien in einem UHP-Ventil mit einer ultrahohen Lebensdauer.

3. Verbesserte Leistungsattribute ermöglichen Innovationen.

Zukunftsorientierte Akteure in der Halbleiterindustrie werden nun weniger Einschränkungen in Bezug auf Innovationen ausgesetzt sein. Die neue ALD-Ventiltechnologie bietet die Leistung und Haltbarkeit, die es Halbleiterherstellern ermöglicht, in neuen Bereichen des Periodensystems der Elemente zu arbeiten und mit Vorläufergasen mit niedrigem Dampfdruck zu experimentieren, um Materialien zu finden, die möglicherweise eine bessere Leistung erbringen als das, was heute in ALD-Prozessen verwendet wird. Neben der Aufrechterhaltung einer konstanten Temperatur und der Ermöglichung höherer Durchflussraten werden neue ALD-Ventile in hochkorrosionsbeständigen Materialien wie Alloy 22 angeboten, was bedeutet, dass aggressivere Chemikalien für die Verarbeitung verwendet werden können, ohne sich Sorgen über problematische Lochfraß- oder Spaltkorrosion machen zu müssen.

Eine bessere Option für eine anspruchsvolle Branche.

Neue UHP-Ventile, wie das kürzlich auf den Markt gebrachte UHP-Ventil ALD20 von Swagelok, haben ein großes Potenzial, den Markt zu verändern, indem sie Halbleiterherstellern die qualitativ hochwertige Abscheidung bieten, die sie benötigen, ohne die Prozesseffizienz zu beeinträchtigen. Was sich jedoch nicht ändern wird, sind die wettbewerbsorientierten, sich schnell ändernden Anforderungen an die Hersteller in der Halbleiterindustrie.

Während Werkzeughersteller und Verarbeiter ihre Prozesse und Systemdesigns anpassen, um fortschrittliche Komponenten wie den ALD20 optimal zu nutzen, wird sich Swagelok auch weiterhin der Innovation und kontinuierlichen Verbesserung aus eigener Kraft widmen und mit Kunden zusammenarbeiten, um die nächste Lösung für die Herausforderungen der Branche zu entwickeln. Auf dem Halbleitermarkt zu arbeiten bedeutet, sich auf einem konstanten Weg der iterativen Verbesserung zu befinden, und Swagelok kann Ihnen auf diesem Weg helfen.

Um mehr über UHP-Ventile für die Halbleiterindustrie oder insbesondere über das neue ALD20-Ventil von Swagelok zu erfahren, besuchen Sie die nachstehenden Links. Um ein Gespräch darüber zu beginnen, wie Ihr Betrieb von der neuesten ALD-Ventiltechnologie profitieren könnte, wenden Sie sich an Ihr lokales Vertriebs- und Servicezentrum.