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Kleine Komponente mit großem Potenzial: Wie optimierte ALD-Ventile Halbleiter-Herstellern zu noch mehr Geschäftserfolg verhelfen

Kleines Ventil, große Wirkung: Warum ein neues Ventil die Halbleiterproduktion verändern könnte.

6. Februar 2020 | Matt Ferraro, Product Manager, Semiconductor

Der Markt für Halbleiter ist sehr komplex und Hersteller von Halbleiterwafern stehen unter ständigem Druck, höchste Präzision in hochkomplexen Prozessen mit kritischen Variablen – kostenintensive Materialien, korrosive Gase und extreme Temperaturen – sicherzustellen. Insbesondere wegen der hohen Wettbewerbsintensität und den sich rasch ändernden technologischen Anforderungen besteht hier kaum Spielraum für Fehler.

OEMs, die Halbleiter-Werkzeuge herstellen, geht es nicht anders. Kontinuierlich verbessern sie die Effizienz ihrer Werkzeuge und arbeiten daran, sich durch ihr Produktdesign von der Masse abzuheben. Ganz im Sinne der Kunden, damit diese in kürzerer Zeit mehr erreichen, bei gleichbleibender Qualität. Auch wird ständig an neuen Ansätzen zur Entwicklung einer Chip-Technologie der nächsten Generation geforscht, mit denen Hersteller ihre Prozesse und Einsatzstoffe (z. B. neue Vorstufengase) optimieren können.

So haben Halbleiter-Hersteller beispielsweise jahrelang an Optimierungen in der Atomlagenabscheidung (ALD) gearbeitet, einem äußerst geschäftskritischen Prozess. Ein wichtiger Bestandteil in diesem Verfahren sind ultra-hochreine Ventile, sogenannte UHP-Ventile (ultrahigh purity).  Diese hochentwickelten Ventile sind für die präzise Gasdosierung im Abscheidungsverfahren zur Herstellung von Halbleiterchips zuständig. Trotz ihrer relativ geringen Größe kommt ihnen bei der Herstellung intakter, hochwertiger Chips große Bedeutung zu.

Die in ALD-Prozessen eingesetzten UHP-Ventile sind bereits fortschrittlicher als die für eine allgemeine industrielle Verwendung bestimmten Ventile. Dennoch setzen Halbleiter-Hersteller darauf, dass in Bezug auf Temperaturstabilität und Durchflussmenge noch mehr geht. Die Leistungsfähigkeit von ALD-Ventilen hat sich in den letzten Jahren kaum erhöht. Das braucht es aber, wenn die Halbleiterindustrie  ihre ehrgeizigen Innovations- und Produktivitätsziele erreichen will.

Verbesserungspotenzial erkennen

Temperaturstabilität

Bei der Atomlagenabscheidung (ALD) werden die UHP-Ventile auf hohe Temperaturen erhitzt, damit sich Gase mit niedrigem Dampfdruck nicht verfrüht verfestigen. Die Stellantriebe bestehender UHP-Membranventile können häufig nicht vollständig in die Gasbox eingetaucht werden. Sie müssen daher wärmeisoliert werden, um funktionstüchtig zu bleiben. Dies führt unter Umständen dazu, dass die verschiedenen Komponenten des Ventils Temperaturunterschiede aufweisen. Eine mögliche Folge ist ein Temperaturabfall der Prozessgase. Abbildung 1 zeigt die unterschiedlichen Temperaturen in verschiedenen Farben.

Besonders problematisch ist dies bei Vorstufenprodukten. Diese benötigen eine hohe Temperaturstabilität, damit sie vor der Abscheidung ihren Gaszustand beibehalten. Anderenfalls entstehen unerwünschte Ablagerungen, die zu einer uneinheitlichen Dosierung führen. Präzision ist das A und O in der Halbleiterindustrie. Daher ist es erwünscht, jede Unregelmäßigkeit und Varianz zu vermeiden.

Durchflussmenge

Eine weitere große Herausforderung für die Hersteller von Halbleiter-Werkzeugen ist die geringe Durchflussmenge der für ALD-Prozesse geeigneten UHP-Ventile. Die UHP-Membranventile am Markt bieten zwar Durchflussmengen, die bislang ausreichend waren, allerdings nimmt diese Menge häufig ab, wenn die Temperatur am Ventil steigt. Durch Ventile mit größeren Durchflussmengen könnten Hersteller ihre Produktionsrate in der Halbleiterwafer-Fertigung erhöhen oder zumindest die Flexibilität ihrer Prozesse steigern, um die Stabilität ihrer Vorstufengase sicherzustellen. Nicht zuletzt könnte sich das positiv auf ihre Umsätze auswirken.

“Schaubild:Möglichkeit zu experimentieren

Die Halbleiterproduktion an sich ist bereits eine Herausforderung, und das nicht zu knapp. Parallel dazu muss aber immer auch mit neuen Prozessen und Medien experimentiert werden, damit die Wettbewerbsfähigkeit von morgen gesichert ist.

Hersteller haben schon jetzt die Möglichkeit, Microchip-Technologien und ALD-Prozesse durch den Einsatz ultraleichter Vorstufengase zu optimieren. Allerdings bieten die bestehenden ALD-Ventiltechnologien derzeit noch nicht die gleichmäßig hohen Durchflussmengen, die einen Druckabfall am Ventil verhindern und dafür sorgen, dass Gase mit niedrigem Dampfdruck ihren gasförmigen Zustand beibehalten. Abbildung 2 stellt den Einfluss der Durchflussmenge auf den Druckabfall in drei unterschiedlichen Ventilen dar.

Hersteller können natürlich die Durchflussmenge in ihrem Prozess so weit absenken, dass der niedrige Druckabfallwert erreicht wird, der Voraussetzung für den Einsatz von Vorstufengasen ist. Dies ist jedoch wirtschaftlich nicht rentabel, weil die Effizienz des gesamten Systems darunter leidet. Mit Innovationen im Bereich der UHP-Ventiltechnologie können Halbleiter-Hersteller Mehrwerte freisetzen, ohne dabei finanzielle Einbußen in Kauf nehmen zu müssen.

Drei Herausforderungen – eine Lösung

Die gute Nachricht: Die nächste Generation der ALD-Ventile wird aktuell  am Markt eingeführt. Ihre gegenüber den bestehenden ALD-Ventilen verbesserte Auslegung hält großes Potenzial für die künftige Microchipherstellung bereit. Es gibt nun drei Gründe, um optimistisch in die Zukunft zu blicken.

1. Vollständiges Eintauchen der Ventile in die Gasbox

Das Risiko für Ablagerungen oder Ungleichmäßigkeiten bei der Abscheidung ist bei Anwendungen, die höchste Präzision erfordern, nun im Vergleich zu bestehenden ALD-Prozessen geringer. Dank der neuen Auslegung der ALD-Ventile können diese nun auf bis zu 200 °C erhitzt werden, da der Stellantrieb auch ohne Isolierung seine Integrität und Dosiergenauigkeit beibehält. Das bietet Halbleiter-Herstellern die Sicherheit, dass ihre Gase in Prozessen mit ALD-Ventilen der nächsten Generation keinen Temperaturschwankungen mehr ausgesetzt sind und sich die Varianz im System verringert. Abbildung 3 zeigt ein System mit optimaler Temperaturstabilität (gegenüber Abbildung 1 mit Temperaturunterschieden).

2. Deutlich höhere Durchflussmengen

Branchenführer können nun höhere Durchflussmengen erzielen, ohne Abstriche bei der Reinheit oder Lebensdauer ihrer Komponenten hinnehmen zu müssen. Während Ventile bislang einen Durchflusskoeffizienten von 0,6 Kv aufwiesen, liefern die neuen Ventile mit der gleichen Grundfläche (ca. 3,8 cm) eine doppelt so große Durchflussmenge (1,2 Kv). Hersteller profitieren damit von höheren Durchflussmengen – ganz ohne Umrüstung oder sonstige Prozessänderung. Mit einer leicht größeren Grundfläche (ca. 4,5 cm) kann sogar eine dreimal so große Durchflussmenge gegenüber bestehenden ALD-Ventilen, d. h. ein Kv-Wert von 1,7 Kv, erzielt werden.

Möglich werden diese Verbesserungen bei der Durchflussmenge durch ein in die neuen ALD-Ventile integriertes Faltenbalg anstelle der bisherigen Membran. Faltenbalgventile ermöglichen höhere Durchflussmengen und die hochpolierten Faltenbalge mit einer Oberflächenrauheit (Ra) von 0,127 µm liefern dieselbe UHP-Leistung, die Hersteller von den aktuell auf dem Markt verwendeten Membranventilen gewohnt sind. Abbildung 4 zeigt ein Ventil mit integriertem Faltenbalg. Das neue Design kombiniert die besten Eigenschaften beider Ventiltechnologien zu einem UHP-Ventil mit maximaler Lebensdauer.

“Schnittzeichnung3. Leistungssteigerungen schaffen Raum für Innovationen

Vorreiter in der Halbleiterindustrie haben nun mehr Spielraum für Innovationen. Dank der hohen Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der neuen ALD-Ventiltechnologie können sich Halbleiter-Hersteller neuen Forschungsthemen zuwenden und etwa mit Vorstufengasen mit niedrigem Dampfdruck experimentieren. Vielleicht treten dabei Materialien zutage, die mehr leisten als das Material, mit dem derzeit in ALD-Prozessen gearbeitet wird. Die neuen ALD-Ventile sorgen nicht nur für Temperaturstabilität und höhere Durchflussmengen, sondern weisen durch ihre Alloy 22-Legierung zudem eine bessere Korrosionsbeständigkeit gegenüber aggressiven Chemikalien auf. Probleme mit Lochfraß und Spaltkorrosion gehören damit der Vergangenheit an.

Eine leistungsstarke Lösung für eine anspruchsvolle Branche

Neue UHP-Ventile wie das seit Kurzem verfügbare UHP-ALD20-Ventil von Swagelok bieten hochwertige Abscheidungsverfahren ohne Einbußen bei der Prozesseffizienz und somit großes Potenzial, den Markt zu revolutionieren. Nicht ändern wird sich das wettbewerbsintensive Marktumfeld in der Halbleiterindustrie, das ständig neue Anforderungen stellt.

Während Werkzeughersteller ihre Prozesse und ihr Systemdesign für die Integration modernster Komponenten wie dem ALD20-Ventil vorbereiten, bleibt Swagelok innovativ, entwickelt Verbesserungen und arbeitet gemeinsam mit den Kunden an Lösungen für künftige Herausforderungen. Die Akteure im Halbleitermarkt sind kontinuierlich auf der Suche nach Verbesserungen – Swagelok steht Ihnen dabei als zuverlässiger Partner zur Seite.

Weitere Informationen zu den UHP-Ventilen für die Halbleiterindustrie sowie insbesondere zum neuen ALD20-Ventil von Swagelok erhalten Sie unter dem nachstehenden Link. Wenden Sie sich an Ihr lokales Vertriebs- und Servicezentrum,um sich zu den Vorteilen der neuesten ALD-Ventiltechnologie für Ihr System beraten zu lassen.

 

Hier erhalten Sie weitere Informationen zum neuen UHP-ALD20-Ventil für Anwendungen mit hohen Durchflussmengen.

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