半導体生産に革命を: 精度向上のための先進ALDバルブ技術

1つの新しいバルブ。半導体製造を変える3つの理由。

マット・フェラーロ、プロダクトマネージャー、半導体

半導体市場はナビゲートしやすいものではありません。半導体ウェハーファブリケーターは、高価な材料、腐食性ガス、極端な温度を伴う高度に複雑なプロセスで最大精度を維持するという継続的なプレッシャーにさらされています。競争への対応と急速に進化する技術要求という追加の負担を考慮すると、エラーの余地はほとんどありません。

半導体ツールOEMも同様のプレッシャーを受けています。彼らはツールの効率を継続的に改善し、競合他社の製品設計と差別化を図ることで、顧客が品質を犠牲にすることなく、より少ない時間でより多くのことを達成できるように努めています。おそらくより重要なのは、ファブリケーターが次世代チップ技術の幕開けに向けて競争する中で、プロセスとインプット（新しい前駆体ガスなど）を最適化する方法を常に先読みし、模索し続けなければならないことです。

長年にわたり、半導体メーカーは原子層堆積（ALD）プロセスの最適化をビジネスの成功に不可欠と見てきました。これらのプロセスに不可欠なのは、半導体チップを作成するために使用される堆積プロセス中にガスの精密なドージングを提供するように高度に設計された超高純度（UHP）バルブです。比較的小さなコンポーネントながら、これらのバルブはチップ製造プロセスの成否に大きな影響を与えます。

ALDプロセスで使用されるUHPバルブは、一般的な産業用途で見られるバルブと比較するとかなり先進的ですが、半導体メーカーは依然として、熱安定性や流量容量などの要因でより高い性能を求めています。ALDバルブの能力は長年劇的に変わっていませんが、半導体業界が新たなイノベーションと生産性のレベルに達するには変化が必要であることは明らかです。

改善の余地を認識する

熱安定性

UHPバルブは、ALDプロセス中に高温で加熱され、低蒸気圧ガスが早期に固化するのを防ぎます。しかし、既存のUHPダイヤフラムバルブのアクチュエーターは、ガスボックスに完全に浸漬することはできず、機能を維持するために熱的に分離する必要があります。これにより、バルブの異なるコンポーネント間で温度差が生じる可能性があります。これが発生すると、図1に示すように、異なる色が異なる温度を表すように、伝送ガスの冷却が発生する可能性があります。

これは、気化前の気相を維持するために正確な温度安定性を必要とする前駆体を使用する場合に特に問題となり、望ましくない残留物の蓄積を招き、一貫性のないドージングを引き起こします。半導体市場における繰り返し性の重要性を考えると、変動や不整合の可能性を排除することは多くの人々に歓迎されるでしょう。

流量

半導体ツールOEMとファブリケーターにとってのもう一つの主要な課題は、ALDプロセスに適した既存のUHPバルブの限られた流量容量です。既存のUHPダイヤフラムバルブが提供する流量はこれまで一般的に許容可能でしたが、バルブが加熱されるとそれらの流量は低下する可能性があります。バルブの流量能力を向上させることで、ファブリケーターが半導体ウェハーを生産する速度を向上させるか、少なくとも前駆体ガスの安定性を確保するためのプロセス柔軟性を高め、潜在的に収益を向上させる可能性があります。

実験する能力

今日の半導体製造には多くの課題が内在していますが、明日の競争優位性を可能にする新しいプロセスと媒体で実験する必要性もあります。

今日のマイクロチップ技術とALDプロセスを、新しい高反応性前駆体ガスを使用して改善する可能性がありますが、既存のALDバルブ技術は現在、バルブ全体の圧力降下を避けるために必要な一貫した高流量を提供していません。これは低蒸気圧ガスの状態変化を引き起こす可能性があります。図2は、3つの異なるバルブにおける流量が圧力降下にどのように影響するかを示しています。

ファブリケーターは、これらの低蒸気圧前駆体ガスを使用するために必要な低圧力降下を達成するためにプロセスの流量を十分に遅くできますが、全体的なシステム効率の必要な低下により、一般的に経済的に実行可能ではありません。UHPバルブ技術の改善が、半導体メーカーが財務的持続可能性を犠牲にすることなく、次に何があるかを発見する鍵となります。

3つの課題、1つのソリューション

朗報は、次世代のALDバルブが市場に投入されており、既存のALDバルブ技術に対する設計改善が、マイクロチップ製造の未来に大きな期待を持たせていることです。ここにポジティブな見通しの3つの理由があります。

1. バルブがガスボックスに完全に浸漬可能。

一貫性が鍵となるアプリケーションでは、今日のALDプロセスと比較して、蓄積や堆積の不整合のリスクが低減されます。新しいALDバルブの設計により、アクチュエーターがその完全性やドージング精度を維持するために分離される必要がないため、バルブ全体を最大200℃（392°F）まで加熱できます。これは、半導体ファブリケーターが、次世代ALDバルブを流れるガスが均一な温度にさらされることを確信できることを意味し、プロセスからある程度の変動を取り除きます。図3は、図1の多様な温度と比較した理想的な熱安定性の状態を示しています。

2. 流量を大幅に向上。

半導体業界のリーダーは、清浄度やコンポーネント寿命を犠牲にすることなく、求めていたより高い流量を達成できるようになりました。既存のバルブが0.6 Cvの流量係数を提供するのに対し、新しいバルブは同じフットプリント（1.5インチ）で流量を倍増（1.2 Cv）させ、ツールメーカーがリツーリングや他の重大なプロセス変更なしに更なる出力を提供できるようにします。しかし、ファブリケーターがわずかに大きなフットプリント（1.75インチ）の新しいALDバルブを導入する柔軟性があれば、既存のALDバルブの流量をほぼ3倍にし、最大1.7 Cvの流量係数を達成できます。

これらの流量容量の大幅な改善は、新しいALDバルブが従来のダイヤフラム設計ではなくベローズ設計を採用していることによって可能になります。ベローズバルブはより高い流量を実現でき、新しいALDバルブ内のベローズは5 µin Raの仕上げに高度に研磨され、現在市場で使用されているダイヤフラムバルブから期待されるUHP性能を達成しています。図4では、バルブ中央に配置されたベローズを見ることができます。新しい設計は、両方のバルブ技術の優れた特徴を1つのUHPバルブに組み合わせ、超高サイクル寿命を実現しています。

3. 改善された性能属性がイノベーションを可能にする。

半導体業界の先見性のあるプレイヤーは、イノベーションの観点からは制約が少なくなります。新しいALDバルブ技術は、半導体メーカーが周期律表の新しい領域で働き、低蒸気圧前駆体ガスで実験し、今日のALDプロセスで使用されているものより優れた性能を発揮する材料を見つけることを可能にする性能と耐久性を提供します。一貫した温度維持とより高い流量を可能にすることに加え、新しいALDバルブはAlloy 22などの高耐食性材料で提供されており、問題となるピット腐食や隙間腐食の懸念なしにより攻撃的なケミストリーを処理に使用できます。

要求の厳しい業界へのより良い選択肢

スウェージロックの最近リリースされたUHP ALD20バルブのような新しいUHPバルブは、プロセス効率を犠牲にすることなく半導体メーカーが必要とする高品質な堆積を提供することで、市場を変える大きな可能性を秘めています。しかし、変わらないのは、半導体業界のメーカーにかかる競争的で急速に変化する要求です。

ツールメーカーとファブリケーターがALD20のような先進コンポーネントを最大限に活用するためにプロセスとシステム設計を調整する中、スウェージロックは独自のイノベーションと継続的改善に専念し続け、顧客と提携して業界課題への次のソリューションを開発します。半導体市場で働くことは、反復的改善の絶え間ない旅であり、スウェージロックはその旅であなたを支援できます。

半導体業界向けUHPバルブ、特にスウェージロックの新しいALD20バルブについて詳しく知りたい場合は、以下のリンクをご覧ください。お客様の運用が最新ALDバルブ技術からどのように恩恵を受けられるかについて会話を始めるには、お近くの販売・サービスセンターにお問い合わせください。