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占用空间小、应用潜力大:改进的 ALD 阀如何促进半导体业取得成功

应用于半导体行业的 ALD20 UHP 阀的无尘室组件。

一种全新的阀门。该阀可能改变半导体制造的三大原因。

2020 年 2 月 6 日 | 半导体产品经理 Matt Ferraro

打入半导体市场绝非易事。为了在涉及昂贵的材料、腐蚀性气体以及极端温度的高度复杂工艺中保持非常高的精度,半导体晶片制造商备处于持续的压力之下。该行业容不下犯半点错误,尤其是考虑到保持竞争优势和跟上不断发展的技术需求的巨大压力。

半导体工具 OEM 面临着同样巨大的压力。他们持续致力于提高其工具效率并使其产品设计与竞争对手的产品设计具有差异化,从而使客户可以在不牺牲质量的前提下而在更短的时间内生产更多的产品。或许更重要的是,他们还必须不断展望未来,以寻求可使制造商在争相引进下一代芯片技术时能够优化其工艺和输入(例如新的前体气体)的解决之道。

多年来,半导体制造商业已将原子层沉积 (ALD) 工艺的优化视为其业务取得成功的关键。这款设计精良的超高纯 (UHP) 阀 是以上工艺所不可或缺的,可以在应用于制造半导体芯片的沉积工艺中输送精确剂量的气体。尽管微不足道,但这些阀门对芯片制造工艺的成败有着举足轻重的影响。

与一般工业应用中常见的阀门相比,尽管 ALD 工艺中使用的 UHP 阀已经相当先进,但是在涉及热稳定性和后期流量等因素时,半导体制造商仍发现需要寻求具有更高性能的阀门。多年以来,ALD 阀的功能并无显著的进步,但是很明显,如果半导体行业 想要提升到全新的创新和生产率水平,就必须做出改变。Diagram: cooling of transmitted gases

确认改进的空间

热稳定性

为防止低蒸汽压气体过早凝固,必须在 ALD 工艺中将 UHP 阀加热至较高温度。但是,现有 UHP 隔膜阀上的执行机构通常无法完全浸入气箱中,并且必须进行热隔离才能保持其功能。这可能造成不同阀组件之间的温差。如果发生这种情况,则可能会冷却输送的气体,如图 1 所示,其中不同的颜色代表不同的温度。

当使用需要精确温度稳定性以在沉积前保持气态的前体时,这尤其问题重重,从而造成多余的残留物积聚并导致计量不一致。鉴于可重复性在半导体市场中的重要性,消除任何潜在的差异或不一致之处将广受欢迎。

流量

半导体工具 OEM 和制造商的另一个关键性挑战是适用于 ALD 工艺的现有 UHP 阀的流量有限。尽管现有 UHP 隔膜阀供应的流量到目前为止通常可以接受,但随着阀的加热,其流量可能会下降。提高阀门的过流能力可以提高制造商生产半导体晶片的速度,或者至少可以使制造商拥有更大的工艺灵活性,以确保其前体气体的稳定性,从而潜在地增加该工艺的收益。

Graph: pressure drop vs. flow实验能力

尽管当今半导体制造存在许多固有的挑战,但同样需要对可以在未来实现竞争优势的新工艺和新介质进行试验。

尽管制造商有可能使用极轻的前体气体而在当今的微芯片技术和 ALD 工艺上作出改进,但现有的 ALD 阀技术目前无法提供避免在整个阀上产生压降所需的始终如一的高流量,而这可能导致低蒸汽压气体改变状态。图 2 展示了流量如何影响三种不同阀门中的压降。

制造商可以在其工艺中充分减缓流量,以达到使用低蒸汽压前体气体所需的低压降,但由于导致整体系统效率下降,因此这样做通常在经济上不可行。UHP 阀技术的改进将成为帮助半导体制造商在不牺牲财务可持续性的前提下探索未来发展趋势的关键。

三大挑战,一个解决方案

好消息是下一代 ALD 阀 即将上市,其相对于现有 ALD 阀技术的设计改进令人对微芯片制造的未来充满希望。令人乐观的原因有三。

图 3:热稳定性1. ALD 阀可完全浸入气箱中。

在一致性至关重要的应用中,与当今的 ALD 工艺相比,现在出现积聚或沉积不一致的风险更低。由于无需隔离执行机构即可保持其完整性或计量精度,新型 ALD 阀设计允许将整个阀加热至 200°C (392°F)。这意味着半导体制造商可以确信,流经下一代 ALD 阀的气体将暴露于均匀的温度,从而在一定程度上消除了工艺中的变化性。与图 1 变化的温度相比,图 3 展示了理想的热稳定性状态。

2. 流速可能更高。

半导体行业的领导者现在无需在清洁度或组件寿命方面作出妥协即可实现所寻求的更大流量。现有阀门可能提供 0.6 Cv 的流量系数,而新阀门可以在相同的占用空间 (1.5 in.) 中提供两倍的流量 (1.2 Cv),从而使工具制造商无需装备新工具或作出其他重大工艺变更即可提供更大的输出。然而,如果制造商能够灵活地实施占用空间 (1.75 in.) 稍大的新型 ALD 阀,则可以将现有 ALD 阀的流量提高近三倍,从而实现高达 1.7 Cv 的流量系数。

采用波纹管设计而非传统隔膜设计的新型 ALD 阀使得流量的实质性改善成为可能。波纹管阀可提供更高的流量,并且新型 ALD 阀内部的波纹管经过高度抛光,可达到 5 µ 的表面光洁度,因此可实现制造商对当前市售隔膜阀所期望的 UHP 性能。在图 4 中,您可以看到阀门中心的波纹管。新设计将两种阀门技术的优势功能融入一台具有超高循环寿命的 UHP 阀中。

ALD cutaway image to show bellows3.改进的性能属性已虑及创新。

从创新的角度来看,现在半导体行业中具有远见卓识的参与者禁忌更少。新型 ALD 阀门技术兼顾了性能和耐用性,因此允许半导体制造商在新的化学领域中展开工作,从而对低蒸汽压前体气体进行试验以寻找可能比当今 ALD 工艺中所使用材料性能更好的材料。除了保持一致的温度并允许更高的流量外,新型 ALD 阀还采用高度耐腐蚀的材料(例如合金 22)提供,这意味着可以使用更具腐蚀性的化学物质进行加工,而无需担心与点蚀或缝隙腐蚀有关的问题。

高要求行业的更合理选择。

由于诸如世伟洛克最近推出的 released UHP ALD20 阀之类的新型 UHP 阀可以在不牺牲工艺效率的前提下为半导体制造商提供所需的高质量沉积,因此具有颠覆市场的巨大潜力。然而,半导体行业制造商面临的竞争以及快速变化的需求不会改变。

在工具生产商和制造商调整工艺和系统设计以充分利用 ALD20 等先进组件的同时,世伟洛克将继续致力于创新和自身的持续改进,从而与客户合作开发应对行业挑战的下一代解决方案。深耕于半导体市场意味着要持续进行迭代改进,世伟洛克可以在这一进程中为您提供帮助。

要了解有关应用于半导体行业的 UHP 阀(尤其是世伟洛克的新型 ALD20 阀)的更多信息,请访问以下链接。若要开始探讨您的运营如何从新型 ALD 阀门技术中受益,请联系您当地的销售与服务中心

了解适用于高流量应用的新型 UHP ALD20 阀

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