Les trois principaux problèmes du procédé ALD et leurs solutions

Comment résoudre les principaux problèmes inhérents aux procédés ALD et ALE

L’extrême précision des procédés de fabrication des semi-conducteurs exige des composants de systèmes fluides possédant certaines qualités essentielles. Les procédés de dépôt par couche atomique (ou ALD pour atomic layer deposition) et de gravure de couches atomiques (ou ALE pour atomic layer etching), par exemple, nécessitent des composants d’une propreté absolue — une caractéristique de plus en plus difficile à maintenir avec des nœuds de traitement qui ne cessent de se miniaturiser. L’étanchéité des systèmes est un autre impératif, car de nombreux gaz utilisés pour la fabrication des semi-conducteurs sont potentiellement dangereux.

Ces conditions pourraient laisser penser que les fabricants de vannes, raccords et autres composants pour les systèmes fluides du secteur des semi-conducteurs proposent tous plus ou moins les mêmes produits. Comme les solutions proposées doivent impérativement posséder ces caractéristiques fondamentales, on pourrait s’attendre au bout du compte à ce que toutes aient des performances à peu près équivalentes, n’est-ce pas ?

Eh bien, pas nécessairement. Toutes les vannes très haute pureté conçues pour le procédé ALD ne se valent pas. Il existe des solutions sophistiquées qui peuvent aider les fabricants de semi-conducteurs à surmonter certaines difficultés majeures inhérentes au procédé de fabrication. Nous nous penchons ici sur les trois principaux problèmes rencontrés par les fabricants de semi-conducteurs et nous montrons comment y remédier en choisissant des vannes ALD et d’autre composants de systèmes fluides adaptés.

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1. Gérer des produits chimiques instables

Comme nous l’avons vu, plusieurs des gaz précurseurs couramment utilisés dans les procédés ALD et ALE sont souvent instables et dangereux. Si l’étanchéité est une caractéristique essentielle des vannes ALD, d’autres caractéristiques ont leur importance.

Par exemple, pour maîtriser plus efficacement les gaz précurseurs actuels et étudier l’utilisation de nouveaux précurseurs, vous devrez peut-être soumettre ces vannes à des pressions et à des températures d’une grande variabilité, le but étant d’obtenir un écoulement du fluide régulier et reproductible à l’état gazeux. Cela signifie que les vannes doivent absolument pouvoir fonctionner de manière prévisible et fiable sur une large plage de pressions et de températures, y compris à des températures pouvant atteindre 200°C.

Par ailleurs, les vannes ALD et les vannes ALE doivent pouvoir purger le système avec des paramètres aussi précis que ceux du dosage chimique initial. Ce procédé en deux étapes nécessite de purger le gaz précurseur avec de l’azote, qui doit lui-même ensuite être purgé. Cette procédure systématique doit se dérouler rapidement pour ne pas nuire au rendement du procédé de fabrication.

Les vannes doivent fonctionner de manière prévisible et fiable sur une large plage de pressions et de températures, y compris à des températures pouvant atteindre 200°C.

Il est possible d’atténuer les effets de températures extrêmes qui varient et de purger plus efficacement le système avec certaines vannes à orifices multiples et certains manifolds multivannes disponibles sur le marché. Le choix entre ces deux possibilités dépend entièrement de l’application : les manifolds sont généralement conseillés lorsque les volumes à purger sont importants. Cela étant, les deux solutions peuvent être avantageuses si vous cherchez à composer avec les difficultés propres à de nouvelles substances chimiques.

2. Maximiser le rendement

Aujourd’hui, un objectif domine tous les autres chez les fabricants de semi-conducteurs : maximiser la quantité de puces viables obtenues au cours d’un cycle de production.

Si la cadence de production est importante, la régularité et la répétabilité des procédés le sont plus encore. Les procédés ALD et ALE nécessitent souvent des millions de doses de produits chimiques. Des vannes spéciales sont chargées d’acheminer ces produits chimiques avec régularité et fiabilité, souvent sur plusieurs millions de cycles. Le volume des doses peut dépendre de la capacité de débit de la vanne mais il dépend surtout des quelques millisecondes pendant lesquelles la vanne reste ouverte. De petites variations dans le temps de réponse de l’actionneur de la vanne peuvent entraîner des variations soudaines de la quantité de produit chimique acheminée dans la chambre de procédé.

De petites variations dans le temps de réponse de l’actionneur de la vanne peuvent entraîner des variations soudaines de la quantité de produit chimique acheminée dans la chambre de procédé.

Pour rester invariablement performante, une vanne de process devra posséder certaines caractéristiques :

• La vanne doit pouvoir fonctionner de manière optimale à des températures pouvant atteindre 200°C.
Dans certains procédés, il est utile qu’elle puisse être complètement immergée dans l’unité d’alimentation en gaz pour assurer un contrôle précis du dosage et de la purge des gaz utilisés.
• Elle devra assurer un écoulement régulier à des débits élevés pour garantir une production conforme aux normes en vigueur. Ce débit doit être précis et contrôlé rigoureusement pour rester dans les limites de tolérance strictes du procédé. C’est pourquoi l’actionnement et la réaction de la vanne doivent être aussi rapides que possible.
• Les performances de la vanne doivent rester les mêmes sur des millions de cycles

3. Réduire le coût global

Enfin, la réduction du coût global des équipements utilisés pour fabriquer des puces semi-conductrices est un élément important de l’efficience opérationnelle. Atteindre cet objectif suppose de limiter autant que possible les éventuelles mises à l’arrêt de ces équipements.

L’utilisation de gaz précurseurs dangereux et corrosifs ainsi que les fortes variations de température et de pression qui caractérisent les procédés ALD et ALE exigent des vannes conçues et fabriquées spécialement pour ces procédés. Les matériaux de fabrication sont un élément important à prendre en considération dans la conception des vannes. Un acier inoxydable haute performance à la formulation équilibrée en éléments résiduels est indispensable pour les environnements de fabrication des semi-conducteurs. Des teneurs élevées en chrome, nickel et molybdène amélioreront les propriétés mécaniques de l’acier inoxydable ainsi que sa capacité à résister à la corrosion. Certains éléments résiduels doivent également être présents dans la formulation. Une teneur spécifique en soufre est notamment nécessaire pour optimiser état de surface et la soudabilité du composant. Le fabricant doit être capable d’équilibrer ces caractéristiques de performance critiques pour répondre aux exigences de l’application.

Le choix de matériaux optimisés aidera à prolonger la durée de vie des composants et à réduire les temps d’arrêt nécessaires pour les entretenir, les réparer ou les remplacer. Chaque immobilisation représente un coût important et une perte de revenus. Compte tenu du rôle capital des vannes dans les procédés ALD et ALE (et de leur faible coût par rapport à l’ensemble du système), investir dans des composants plus performants peut générer un important retour sur investissement.

Il est également important de travailler avec un fournisseur capable de fabriquer des vannes de qualité et d’une grande fiabilité pour ces procédés. Idéalement, votre fournisseur devra bien connaître les procédés de dépôt et de gravure ainsi que les subtilités inhérentes à ces procédés pour pouvoir vous conseiller des vannes adaptées à vos besoins. Nos spécialistes des semi-conducteurs ont acquis une vaste expérience en aidant des équipementiers et des fabricants de puces électroniques à faire évoluer leurs processus et leurs outils de production. Si vous souhaitez en savoir plus sur la manière dont vous pouvez optimiser vos propres processus, nos spécialistes se tiennent à votre disposition pour vous renseigner.

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