半導体 ALD プロセスを最適化する方法

適切なバルブが ALD プロセスの精度と一貫性を向上させる方法

Masroor Malik、半導体市場マネージャー、Swagelok

スループットを最大化するという課題と、最新のマイクロチップの製造に必要なますます複雑で精密なプロセスが組み合わさることで、半導体メーカーはますます厳密なプロセス制御を追求するようになっています。原子層堆積 (ALD) などの生産プロセスでより狭い性能許容範囲を達成することは、生産チップの歩留まりを最適化するために不可欠です。

化学薬品の投与および供給システムにおけるこの精度は、最適な生産性を誇る ALD プロセスの重要な要素です。また、適切に設計されたバルブ制御システムが役立ちます。その理由を、半導体科学者が技術の進行中の進化の重要なポイントで遭遇し、克服した重要な難問から始めて、その理由を探ります。

半導体産業の歴史

半導体産業は 1960 年代にシリコン バレーで始まりましたが、1990 年代後半までに、科学界は、ムーアの法則 (シリコン チップあたりのトランジスタ数が 2 年ごとに 2 倍になるという観察結果) の進行に対する差し迫った障壁を予想していました。これは、デバイスの従来の誘電体層の技術的限界に関連しており、業界では誘電体材料が SiO₂ に取って代わることを知っていました。

SiO₂ 「成長」に便利で、シリコンウェーハ上で優れた精度と均一性を維持しました。 CVD や PVD ​​などの従来の成膜方法を使用して新しい誘電体材料を成膜することは容易ではありません。

ALD プロセスは、新しい材料を正確な膜厚で適用するための新しい方法として登場しました。初期の段階では、成膜速度の遅さなど、参入にはいくつかの大きな障壁がありましたが、時間の経過とともに、業界は半導体製造で ALD を実装するためのより効果的な方法を開発しました。 ALD が将来の半導体デバイス製造にとって重要になることはすぐに明らかになりましたが、対処すべき化学物質の供給に関する課題がまだいくつかありました。

ALD プロセスにおけるバルブの重要性

半導体製造業者は、直径 300 mm のウエハーの領域に堆積する膜のサブナノメートル精度を維持するために取り組んでいます。これは、月の表面全体に厚さ 1 cm の層を適用することに相当します。最新の半導体デバイスでは、デバイスの性能に顕著な影響を与えるには、ほんの数原子の変動が必要です。

半導体製造業者は、直径 300 mm のウエハーの領域に堆積する膜のサブナノメートル精度を維持するために取り組んでいます。これは、月の表面全体に厚さ 1 cm の層を適用することに相当します。

堆積層に影響を与える主な要因は、原子層プロセス ステップでの化学物質の濃度です。これには、各投与中に送達される化学物質の量に高い精度が必要です。特殊な高純度 ALD バルブは、プロセス チャンバーへの化学物質の流れを正確かつ一貫して停止および開始するために必要です。

ALD バルブで注目すべき特性

多くの場合、ALD プロセスには数百回の注入ステップが含まれることを考慮すると、プロセス バルブは多くの動作を行い、1 週間に 100 万サイクルを超えることもあります。したがって、非常に高いサイクル信頼性が必要です。また、プロセス バルブはシステム内の流量制限要素として機能する場合があるため、流量容量と一貫性が重要になる場合があります。バルブからバルブへの流れの一貫性も、プロセスの適合を達成するため、およびバルブ交換後に一貫したプロセスを維持するために重要です。

ALD プロセスには数百回の投与ステップが含まれることが多いことを考えると、プロセス バルブは多くの動作を行い、1 週間に 100 万サイクルを超えることもあります。したがって、非常に高いサイクル信頼性が必要です。

作動応答時間と一貫性も重要です。投与長に影響を与えるバルブ応答時間の変化は、送達された用量の量。例えば、バルブを開く応答時間が速く、閉じる応答時間が遅いと、投与量が長くなります。 100 ミリ秒のドーズ時間の場合、オープン時間とクローズ時間の 3 ミリ秒のシフトにより、ドーズ量が 6% 増加する可能性があります。これは、多くの原子層アプリケーションでは、プロセスの結果にとって非常に重要です。

生の作動速度は、時には何百もの投与ステップを伴うプロセスの効率を改善するのにも役立ちます.より速い作動は、各ステップの時間を短縮することを意味し、全体の処理の大幅な削減に貢献できます。 時間。

また、大量の一貫した流量と高速で反復可能な作動を備えたバルブは、供給される化学物質と供給システムの温度に適合している場合にのみ有用であることを覚えておくことも重要です。多くの場合、特に ALD では、十分な温度に維持されていない表面に化学前駆体が凝縮または堆積する可能性があり、プロセスに悪影響を及ぼす可能性があります。

追加の ALD プロセスの考慮事項

ALD プロセスの再現性は、使用される個々の化学薬品の投与量の一貫性と精度に明確に関連しています。化学薬品の投与量に変化または差異を引き起こす可能性のあるものはすべて、関連するプロセスに変化または差異を引き起こします。ベース化学物質とウェーハ表面の間に存在するすべての原子層堆積装置は、化学物質の投与量に影響を与える可能性があるため、システム全体で高品質のチューブとフィッティングを選択することが重要です.

最後に、プロセス バルブを制御する空気圧作動システムは、ALD バルブの速度と一貫性を定義する上で重要な役割を果たします。作動圧力と公差、給気と排気のチューブのサイズと長さ、パイロット バルブ、さらには使用する空気圧フィッティングもすべて、プロセス バルブのタイミングに影響を与える可能性があり、これはあらゆる原子層プロセスで重要です。非常に安定した ALD プロセス バルブだけでは十分ではありません。バルブを操作するための空気圧システムと、場合によっては、バルブ タイミングのパフォーマンスを正確に監視するためのセンサーも重要です。

OEM とファブが信頼できる ALD の一貫性を実現する方法

ALD プロセスに関連する課題を理解している知識豊富なチームと協力することは、適切な最初のステップです。原子層プロセスに固有の課題を理解し、それらを解決した経験を持つサプライヤーとコンサルタントは、ALD プロセスの精度と一貫性を向上させるのに大いに役立ちます。

Swagelok のチームは、長年にわたって原子層プロセスが進化し、成熟していく中で、半導体業界全体のお客様をサポ​​ートしてきました。適切なバルブ技術とシステム構成が ALD プロセスの改善にどのように役立つかについて詳しく知りたいですか?私たちは、継続的な成功のためにファブをセットアップするのに役立つ適切なソリューションの開発に継続的に取り組んでいます。詳細については、当社のポートフォリオを参照するか、当社の半導体スペシャリストにお問い合わせください。