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Pequeño Tamaño, Gran Potencial: Cómo las Válvulas ALD Mejoradas Impulsarán el Éxito del Semiconductor

Una Nueva Válvula. Tres Razones por las que Podría Cambiar la Fabricación del Semiconductor.

6 de Febrero de 2020 | Matt Ferraro, Director de Producto, Semiconductor

El mercado del semiconductor no es fácil de recorrer. Los fabricantes de obleas de semiconductores están sometidos a una presión constante, para mantener la máxima precisión en los procesos altamente complejos que implican materiales caros, gases corrosivos y temperaturas extremas. Hay poco margen para el error, especialmente dada la tensión añadida de mantener el ritmo de la competencia y la rápida evolución de las exigencias tecnológicas.

Los fabricantes de herramientas para semiconductores están bajo una presión similar. Trabajan continuamente para mejorar la eficiencia de sus herramientas, diferenciar los diseños de sus productos de los de sus competidores y para que los clientes puedan obtener más en menos tiempo sin sacrificar la calidad. Tal vez lo más importante es que también deben innovar constantemente y encontrar formas de permitir a los fabricantes optimizar sus procesos e incorporaciones (como los nuevos gases precursores), mientras avanzan a toda velocidad hacia la próxima generación de tecnología de chips.

Durante años, los fabricantes de semiconductores han visto la optimización de los procesos de deposición de capas atómicas (ALD de sus siglas en inglés Atomic Layer Deposition) como algo crítico para el éxito de sus operaciones. Para estos procesos, son esenciales las válvulas de ultra alta pureza (UHP) , especialmente diseñadas para suministrar dosis precisas de gases durante el proceso de deposición utilizado para crear chips semiconductores. Aunque son componentes relativamente pequeños, estas válvulas tienen un enorme impacto en el éxito o fracaso del proceso de construcción de chips.

Las válvulas UHP utilizadas en los procesos ALD son mucho más evolucionadas que las válvulas que se encuentran habitualmente en las aplicaciones industriales generales, pero últimamente los fabricantes de semiconductores siguen buscando un mayor rendimiento en factores como la estabilidad térmica y la capacidad de caudal. Las capacidades de las válvulas de ALD no han cambiado radicalmente en muchos años, pero es evidente que se necesita un cambio para que la industria del semiconductor alcance nuevos niveles de innovación y productividad.Diagram: cooling of transmitted gases

Reconocer el Margen de Mejora

Estabilidad Térmica

Las válvulas UHP deben ser calentadas a altas temperaturas durante el proceso ALD para evitar que los gases de baja presión de vapor cristalicen prematuramente. Sin embargo, los actuadores de las válvulas de diafragma UHP actuales, normalmente no pueden sumergirse completamente en la caja de gas y deben aislarse térmicamente para mantener su funcionalidad. Esto puede provocar una diferencia de temperatura entre los diferentes componentes de la válvula. Cuando esto ocurre, puede producirse el enfriamiento de los gases transmitidos, como se ve en la figura 1, con diferentes colores que representan las diferentes temperaturas.

Esto es especialmente problemático cuando se utilizan precursores que requieren una estabilidad de temperatura precisa para permanecer en estado gaseoso antes de su deposición, lo que da lugar a una acumulación indeseada de residuos que provoca una dosificación inconsistente. Dada la importancia de la repetitividad en el mercado del semiconductor, los fabricantes desearían que se eliminara cualquier posibilidad de variación o inconsistencia.

Capacidad de Caudal

Otro desafío clave para los fabricantes de herramientas y los productores de semiconductores, es la limitada capacidad de caudal de las válvulas UHP disponibles para los procesos ALD. Mientras que las válvulas de diafragma UHP actuales ofrecen caudales generalmente aceptables hasta ahora, esos caudales pueden disminuir a medida que la válvula se calienta. El aumento de la capacidad de caudal de las válvulas podría acelerar la velocidad a la que los fabricantes pueden producir obleas—o al menos podría permitirles una mayor flexibilidad de proceso para asegurar la estabilidad de sus gases precursores—aumentando potencialmente los beneficios en el proceso.

Graph: pressure drop vs. flowCapacidad de Experimentar

Aunque hoy en día hay muchos desafíos propios de la fabricación de semiconductores, también es necesario experimentar con nuevos procesos y fluidos que puedan permitir una ventaja competitiva en el futuro.

Existe la posibilidad de que los fabricantes mejoren la tecnología actual de microchips y los procesos ALD mediante el uso de gases precursores extremadamente ligeros, pero la tecnología actual de las válvulas ALD no proporciona la alta capacidad de caudal constante necesaria para evitar la caída de presión a través de la válvula, lo que puede hacer que los gases de baja presión de vapor cambien de estado. La figura 2 muestra cómo la tasa de caudal puede influir en la caída de presión en tres válvulas diferentes.

Los fabricantes pueden reducir la velocidad del caudal en su proceso lo suficiente como para conseguir la mínima caída de presión, necesaria en el uso de estos gases precursores de baja presión de vapor, pero eso no suele ser económicamente viable debido a la caída requerida en la eficiencia general del sistema. Las mejoras en la tecnología de las válvulas UHP serán la clave para ayudar a los fabricantes de semiconductores a descubrir el futuro sin sacrificar la sostenibilidad financiera.

Tres Desafíos, Una Solución

La buena noticia es que la nueva generación de válvulas ALD están llegando al mercado, y sus mejoras de diseño sobre la tecnología actual de válvulas ALD son muy prometedoras para el futuro de la fabricación de microchips. Aquí hay tres razones para ser optimistas.

1. Las válvulas son totalmente sumergibles en la caja de gas.

En una aplicación en la que la consistencia es clave, hay menos riesgo de acumulación o inconsistencias de deposición en comparación con los procesos ALD actuales. El diseño de las nuevas válvulas ALD permite calentar toda la válvula hasta 200°C (392°F), ya que no es necesario aislar el actuador para mantener su integridad o la precisión de la dosificación. Esto significa que los fabricantes de semiconductores pueden confiar en que los gases que fluyen a través de las válvulas ALD de próxima generación estarán expuestos a una temperatura uniforme, lo que elimina cierto grado de variabilidad en el proceso. La figura 3 muestra un estado ideal de estabilidad térmica, en comparación con la figura 1 con distintas temperaturas.

2. La capacidad de caudal puede ser muy superior.

Los líderes de la industria del semiconductor pueden ahora aplicar la mayor velocidad de caudal que buscaban, sin tener que comprometer la limpieza o la longevidad de los componentes. Mientras que las válvulas actuales pueden ofrecer un coeficiente de caudal de 0,6, las nuevas válvulas pueden ofrecer el doble de caudal (1,2) con el mismo tamaño (1,5 pulg.), lo que permite a los fabricantes de herramientas ofrecer un mayor rendimiento sin necesidad de modificar las herramientas ni hacer otros cambios significativos en el proceso. Pero si un fabricante tiene la flexibilidad para instalar las nuevas válvulas ALD de tamaño ligeramente superior (1,75 pulgadas), puede prácticamente triplicar el caudal de las válvulas ALD actuales, y conseguir coeficientes de caudal de hasta 1,7.

Esta importante mejora de la capacidad de caudal se debe al nuevo diseño de la válvula ALD de fuelle, en lugar del diseño tradicional de diafragma. Las válvulas de fuelle tienen una mayor capacidad de caudal, y el fuelle de las nuevas válvulas ALD tienen un acabado superficial de 5 µpulg. de promedio, lo cual permite el rendimiento de ultra alta pureza que los fabricantes les piden a las actuales válvulas de diafragma. La Figura 4 muestra el fuelle en el centro de la válvula. El nuevo diseño combina las mejores características de ambas tecnologías de válvulas en una válvula UHP con una vida de ciclo ultra alto.

ALD cutaway image to show bellows3. La mejora del rendimiento permite innovar.

Los protagonistas con visión de futuro de la industria del semiconductor serán ahora más capaces de innovar. La nueva tecnología de las válvulas ALD ofrece el rendimiento y la durabilidad necesarios para permitir a los fabricantes de semiconductores trabajar con otros elementos de la tabla periódica, experimentando con gases precursores de baja presión de vapor para encontrar materiales con un rendimiento mejor que los utilizados en los procesos ALD en la actualidad. Además de mantener una temperatura constante y permitir mayores velocidades de caudal, las nuevas válvulas ALD están disponibles en materiales altamente resistentes a la corrosión, como la aleación 22, permitiendo utilizar productos químicos más agresivos para el proceso sin preocuparse de los problemas de la corrosión por picaduras o intersticial.

Una Mejor Opción para una Industria Exigente.

Las nuevas válvulas UHP, como la nueva válvula Swagelok released ALD20 UHP , tienen un gran potencial para cambiar el mercado ofreciendo a los fabricantes de semiconductores el proceso de deposición de alta calidad que necesitan sin sacrificar la eficiencia. Lo que no cambiará son las exigencias competitivas y rápidamente cambiantes de los fabricantes de la industria del semiconductor.

Mientras que los fabricantes de herramientas y los fabricantes ajustan sus procesos y diseños de sistemas para hacer el mejor uso de los componentes avanzados como la ALD20, Swagelok seguirá dedicado a la innovación y mejora continua por derecho propio—colaborando con los clientes para desarrollar la próxima solución a los retos de la industria. Trabajar en el mercado del semiconductor significa permanecer en la mejora continua, y Swagelok puede ayudarle en ese viaje.

Para ampliar la información sobre las válvulas UHP para la industria del semiconductor, o sobre la nueva válvula ALD20 de Swagelok en particular, visite los siguientes enlaces. Para saber cómo sus operaciones podrían beneficiarse de la última tecnología de válvulas ALD, contacte con su centro local de ventas y servicio.

Conozca la nueva válvula ALD20 UHP para aplicaciones de alto caudal

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