Cómo Optimizar los Procesos ALD de Semiconductores

Cómo la Válvula Correcta Puede Mejorar la Precisión y Consistencia de su Proceso ALD

Masroor Malik, Director de Mercado de Semiconductores

El reto de maximizar el rendimiento, combinado con los procesos cada vez más complejos y precisos necesarios para fabricar el último microchip, está llevando a los fabricantes de semiconductores a buscar controles de proceso cada vez más estrictos. Conseguir tolerancias de rendimiento más estrictas en los procesos de producción, como la deposición de capas atómicas (ALD), es esencial para optimizar la producción de chips.

Esta precisión en el sistema de dosificación y suministro de productos químicos es un elemento crítico de un proceso ALD de producción óptima. Y un sistema de control de válvulas bien diseñado puede ayudar. Exploraremos las razones, comenzando por un importante dilema que se planteó a los científicos de los semiconductores—y que superaron—en un momento crucial de la evolución de la tecnología.

Conocer la Tecnología ALD

Breve Historia de la Industria del Semiconductor

La industria del semiconductor comenzó en Silicon Valley en la década de los 60, pero a finales de los 90, la comunidad científica preveía una barrera inminente a la progresión de la Ley de Moore—la observación de que el número de transistores por chip de silicio se duplica cada dos años. Esto estaba relacionado con los límites técnicos de las capas dieléctricas tradicionales en los dispositivos, y la industria sabía que pronto se necesitaría un material dieléctrico que sustituyera al SiO₂.

Esto supuso un reto porque el SiO₂ era cómodo de "cultivar" y mantenía una excelente precisión y uniformidad en las obleas de silicio. Depositar un nuevo material dieléctrico utilizando métodos de deposición más tradicionales como el CVD o el PVD no sería fácil.

Fue entonces cuando el proceso ALD surgió como una forma novedosa de aplicar nuevos materiales con espesores de película precisos. En las primeras etapas, existían algunos obstáculos importantes para la entrada, como la lentitud de las tasas de deposición, pero con el tiempo la industria desarrolló formas más eficaces de aplicar la ALD en la fabricación de semiconductores. Rápidamente quedó claro que el ALD sería importante para el futuro de la fabricación de dispositivos semiconductores, pero todavía había algunos retos de suministro químico con los que lidiar.

La Importancia de las Válvulas en el Proceso ALD

Los fabricantes de semiconductores trabajan para mantener la precisión subnanométrica de las películas depositadas en el área de una oblea de 300 mm de diámetro. Esto es el equivalente a escala de aplicar una capa de 1 cm de espesor sobre toda la superficie de la luna. En los dispositivos semiconductores modernos, basta con unos pocos átomos de variación adicionales para influir notablemente en el rendimiento del dispositivo.

Los fabricantes de semiconductores trabajan para mantener la precisión subnanométrica de las películas depositadas en el área de una oblea de 300 mm de diámetro. Esto es el equivalente a escala de aplicar una capa de 1 cm de espesor sobre toda la superficie de la luna.

Un factor importante que influye en las capas depositadas es la concentración de productos químicos en los pasos del proceso de capas atómicas. Esto requiere una gran precisión en la cantidad de producto químico suministrado en cada dosis. Las válvulas ALD especializadas de alta purezason necesarias para detener e iniciar el caudal de productos químicos en la cámara de proceso con precisión y consistencia.

Características que Hay que Buscar en las Válvulas ALD

Teniendo en cuenta que un proceso ALD a menudo implica cientos de pasos de dosificación, las válvulas del proceso tienen mucha actividad—a veces más de un millón de ciclos por semana. Por lo tanto, es necesario que la fiabilidad de los ciclos sea muy alta. Y como las válvulas de proceso a veces funcionan como elemento limitador del caudal en el sistema, la capacidad de caudal y la consistencia pueden ser importantes. La consistencia del caudal de una válvula a otra también puede ser importante para conseguir la coincidencia del proceso y para mantener un proceso consistente tras el cambio de válvulas.

Teniendo en cuenta que un proceso ALD a menudo implica cientos de pasos de dosificación, las válvulas del proceso tienen mucha actividad—a veces más de un millón de ciclos por semana. Por lo tanto, es necesario que la fiabilidad de los ciclos sea muy alta.

El tiempo de respuesta de actuación y la consistencia también son importantes: cualquier cambio en el tiempo de respuesta de la válvula que afecte a la duración de la dosis también afecta al volumen de la dosis administrada. Por ejemplo, un tiempo de respuesta de apertura de la válvula más rápido y un tiempo de respuesta de cierre más lento aumentan la duración de la dosis. Para un tiempo de dosis de 100 milisegundos, un cambio de 3 milisegundos en los tiempos de abrir y cerrar puede aumentar el volumen de dosis en un 6%, lo que en muchas aplicaciones de capas atómicas sería muy significativo para el resultado del proceso.

La velocidad de actuación también puede ayudar a mejorar la eficiencia de un proceso que a veces puede implicar cientos de pasos de dosificación. Una actuación más rápida puede suponer la reducción del tiempo de cada paso, lo que puede contribuir a reducir considerablemente el tiempo total de procesamiento.

También es importante recordar que las válvulas con un caudal elevado y constante y una actuación rápida y repetible sólo son útiles si son compatibles con los productos químicos que se suministran y con las temperaturas del sistema de suministro. En muchos casos, sobre todo en ALD, los precursores químicos pueden condensarse o depositarse en superficies no mantenidas a una temperatura suficiente, lo que puede tener efectos negativos en el proceso.

Consideraciones Adicionales Sobre el Proceso ALD

La repetitividad del proceso ALD está inequívocamente ligada a la consistencia y precisión de las dosis químicas utilizadas, y cualquier factor que pueda causar un cambio o una diferencia en las dosis químicas provocará un cambio o una diferencia en el proceso asociado. Todos los equipos de deposición de capas atómicas que hay entre el producto químico de base y la superficie de la oblea tienen el potencial de influir en la dosis química, por lo que es importante seleccionar tubo y racores de alta calidad en todo el sistema.

Por último, un sistema de actuación neumática que controle una válvula de proceso desempeña un papel importante en la definición de la velocidad y la consistencia de una válvula ALD. La presión y la tolerancia de la actuación, el tamaño y la longitud del tubo de suministro y de salida de aire, las válvulas piloto e incluso los racores neumáticos utilizados pueden influir en la sincronización de las válvulas de proceso, que es importante en cualquier proceso de formación de capas atómicas. Una válvula de proceso ALD ultraconsistente no es suficiente por sí sola: también es fundamental un sistema neumático para accionar la válvula y, en algunos casos, sensores para controlar con precisión el rendimiento de la sincronización de la válvula.

Cómo los OEM y las Plantas Pueden Conseguir una Consistencia ALD Fiable

Trabajar con un equipo experto que entienda los retos asociados al proceso ALD es un buen primer paso. Los proveedores y asesores que comprenden los retos inherentes a los procesos de capas atómicas y que tienen experiencia en solucionarlos pueden contribuir en gran medida a mejorar la precisión y la consistencia de sus procesos ALD.

En Swagelok, nuestro equipo ha estado apoyando a los clientes de toda la industria del semiconductor a medida que los procesos de capa atómica han evolucionado y madurado a lo largo de los años, y estamos encantados de seguir ofreciendo nuestra ayuda en este viaje continuo. ¿Está interesado en saber más sobre cómo la tecnología de válvulas y las configuraciones del sistema adecuadas pueden ayudar a mejorar sus procesos ALD? Trabajamos continuamente para desarrollar las soluciones adecuadas que ayuden a las plantas a adaptarse para un éxito continuo. Vaya a nuestro catálogo o póngase en contacto con nuestros especialistas en semiconductores para saber más.

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