So können Sie Ihren Halbleiter-ALD-Prozess optimieren

Genauere und konsistentere ALD-Prozesse mithilfe des richtigen Ventils

Masroor Malik, Semiconductor Market Manager, Swagelok

Die Maximierung des Durchsatzes zusammen mit immer komplexeren und präziseren Prozessen, die für die Herstellung der neuesten Mikrochips erforderlich sind, führt bei Halbleiter-Herstellern zu immer strengeren Prozesskontrollen. Engere Leistungstoleranzen bei Produktionsprozessen wie der Atomlagenabscheidung (ALD) sind für die Optimierung der Chipausbeute unerlässlich.

Diese Präzision bei der Chemikaliendosierung und -bereitstellung ist ein entscheidendes Element für einen optimal produktiven ALD-Prozess. Und ein gut durchdachtes Ventilsteuerungssystem kann dabei helfen. Wir beleuchten die Gründe dafür und beginnen mit einem wichtigen Problem, das Halbleiterwissenschaftler an einem entscheidenden Punkt in der Entwicklung der Technologie zu lösen hatten.

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Eine kurze Geschichte der Halbleiterindustrie

Die Halbleiterindustrie nahm in den 1960er Jahren im Silicon Valley ihren Anfang. Ende der 1990er Jahre sah sich die Wissenschaft jedoch mit einem drohendes Hindernis für das Mooresche Gesetz konfrontiert: Es wurde beobachtet, dass sich die Zahl der Transistoren pro Siliziumchip alle zwei Jahre verdoppelt. Das hing mit den technischen Grenzen herkömmlicher dielektrischer Schichten in Geräten zusammen und die Industrie wusste, dass bald ein dielektrisches Material als Ersatz für SiO₂ benötigt werden würde.

Dies war eine Herausforderung, da sich SiO₂ auf Siliziumwafern sehr gut „züchten" ließ und eine hervorragende Präzision und Einheitlichkeit aufwies. Die Abscheidung eines neuen dielektrischen Materials mit herkömmlichen Abscheidungsmethoden wie CVD oder PVD ist nicht ganz einfach.

Damals wurde das ALD-Verfahren als neuartige Methode entwickelt, um neue Materialien mit präzisen Schichtdicken aufzubringen. In der Anfangsphase gab es einige große Hindernisse für den Markteintritt, wie z. B. langsame Abscheidungsraten, aber im Laufe der Zeit entwickelte die Industrie effektivere Methoden, um ALD in die Halbleiterfertigung zu integrieren. Es wurde schnell klar, dass ALD für die Zukunft der Herstellung von Halbleiterbauelementen wichtig werden würde, doch gab es noch einige Herausforderungen bei der Chemikalienbereitstellung, die es zu bewältigen galt.

Die Bedeutung von Ventilen im ALD-Prozess

Halbleiterhersteller arbeiten daran, die Subnanometer-Präzision der abgeschiedenen Schichten über die Fläche eines Wafers mit 300 mm Durchmesser zu gewährleisten. Das wäre als würde man eine 1 cm dicke Schicht auf der gesamten Mondoberfläche aufbringen. Bei modernen Halbleiterbauelementen reichen schon wenige zusätzliche Atome aus, um die Leistung des Bauelements spürbar zu beeinflussen.

Halbleiterhersteller arbeiten daran, die Subnanometer-Präzision der abgeschiedenen Schichten über die Fläche eines Wafers mit 300 mm Durchmesser zu gewährleisten. Das wäre als würde man eine 1 cm dicke Schicht auf der gesamten Mondoberfläche aufbringen.

Ein wichtiger Faktor, der sich auf die aufgebrachten Schichten auswirkt, ist die Konzentration der Chemikalien in den einzelnen Schritten des Atomschichtverfahrens. Dies erfordert eine hohe Präzision bei der Dosierung der einzelnen Chemikalien. Um den Fluss der Chemikalien in die Prozesskammer präzise und gleichmäßig zu stoppen und zu starten, sind spezialisierte, hochreine ALD-Ventile erforderlich.

Auf was müssen Sie bei der Auswahl von ALD-Ventilen achten?

Wenn man bedenkt, dass ein ALD-Prozess oft Hunderte von Dosierschritten umfasst, sind die Prozessventile häufig in Betrieb – manchmal für mehr als eine Million Zyklen pro Woche. Folglich ist eine sehr hohe Zykluszuverlässigkeit unerlässlich. Und da Prozessventile manchmal als durchflussbegrenzendes Element im System fungieren, können auch Durchflusskapazität und Konsistenz wichtig sein. Die Durchflusskonsistenz von Ventil zu Ventil kann auch für die Prozessanpassung und die Aufrechterhaltung eines konsistenten Prozesses nach einem Ventilwechsel von Bedeutung sein.

Wenn man bedenkt, dass ein ALD-Prozess oft Hunderte von Dosierschritten umfasst, sind die Prozessventile häufig in Betrieb – manchmal für mehr als eine Million Zyklen pro Woche. Folglich ist eine sehr hohe Zykluszuverlässigkeit unerlässlich.

Die Reaktionszeit der Ventile und die Konsistenz sind ebenfalls wichtig – jede Änderung der Reaktionszeit des Ventils, die sich auf die Dosierung auswirkt, hat auch Auswirkungen auf das Volumen der abgegebenen Dosis. Zum Beispiel erhöht eine schnellere Reaktionszeit beim Öffnen des Ventils und eine langsamere Reaktionszeit beim Schließen die Dosierung. Bei einer Dosiszeit von 100 Millisekunden kann eine Verschiebung der Öffnungs- und Schließzeiten um 3 Millisekunden das Dosisvolumen um 6 % erhöhen, was bei vielen Atomschichtanwendungen einen erheblichen Einfluss auf das Prozessergebnis hätte.

Die Geschwindigkeit der Betätigung kann auch dazu beitragen, die Effizienz eines Prozesses zu verbessern, der manchmal Hunderte von Dosierschritten umfassen kann. Durch eine schnellere Betätigung kann die Zeit für jeden einzelnen Schritt verkürzt werden, was zu einer erheblichen Verringerung der Gesamtbearbeitungszeit beitragen kann.

Zudem ist zu berücksichtigen, dass Ventile mit hohem, gleichmäßigem Durchfluss und schneller, wiederholbarer Betätigung nur dann sinnvoll sind, wenn sie mit den zu bereitstellenden Chemikalien und den Temperaturen des Systems kompatibel sind. In vielen Fällen, insbesondere bei der ALD, können die chemischen Grundstoffe kondensieren oder sich auf Oberflächen ablagern, die nicht die ausreichende Temperatur aufweisen, was sich negativ auf den Prozess auswirken kann.

Weitere Faktoren des ALD-Prozesses

Die Wiederholbarkeit des ALD-Prozesses ist unmittelbar mit der Konsistenz und Genauigkeit der verwendeten chemischen Dosen verbunden – und alles, was eine Änderung oder Abweichung der chemischen Dosierung verursachen kann, führt auch zu einer Änderung oder Abweichung des zugehörigen Prozesses. Alle Anlagen für die Atomlagenabscheidung, die sich zwischen der Basischemikalie und der Waferoberfläche befinden, können die Chemikaliendosierung beeinflussen. Die Auswahl qualitativ hochwertiger Schläuche und Anschlüsse für das gesamte System ist daher äußerst wichtig.

Schließlich spielt ein pneumatisches Betätigungssystem, das ein Prozessventil steuert, eine wichtige Rolle im Zusammenhang mit der Geschwindigkeit und Konsistenz eines ALD-Ventils. Betätigungsdruck und -toleranz, Größe und Länge der Luftzufuhr- und Entlüftungsschläuche, Vorsteuerventile und sogar die verwendeten pneumatischen Anschlüsse können sich alle auf die Zeitsteuerung der Prozessventile auswirken, die für Atomschichtverfahren wichtig ist. Ein ultrakonsistentes ALD-Prozessventil allein reicht nicht aus – ein pneumatisches System zur Betätigung des Ventils und in einigen Fällen auch Sensoren zur genauen Überwachung der Ventilsteuerung sind ebenfalls entscheidend.

So erreichen OEMs und Hersteller eine zuverlässige ALD-Konsistenz

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

Unser Team bei Swagelok begleitet Kunden in der gesamten Halbleiterindustrie bei der Entwicklung und Optimierung von Atomschichtprozessen im Laufe der Jahre, und wir freuen uns, auch weiterhin unsere Unterstützung dabei anbieten zu können. Sie möchten mehr darüber erfahren, wie die richtige Ventiltechnologie und Systemkonfiguration zur Verbesserung Ihrer ALD-Prozesse beitragen kann? Wir arbeiten kontinuierlich an der Entwicklung von Lösungen, die Hersteller zu dauerhaftem Erfolg verhelfen. Sehen Sie sich unser Portfolio an oder setzen Sie sich mit unseren Halbleiterspezialisten in Verbindung, um mehr zu erfahren.

Siehe ALD-Ventile