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如何优化半导体 ALD 工艺

半导体制造中的原子层沉积

合适的阀门如何能够提高您 ALD 工艺的精度和一致性

世伟洛克半导体市场经理 Masroor Malik世伟洛克半导体市场经理 Masroor Malik

制造先进的微芯片需要日益复杂和精确的工艺,并增加产量,这些挑战促使半导体制造商追求越来越严格的工艺控制。在原子层沉积 (ALD) 等生产工艺中实现更小的性能差异,对于优化生产芯片的产量至关重要。

化学进料和输送系统的精度是优化ALD 工艺生产的一个关键因素。而一个精心设计的阀门控制系统可以提供帮助。我们将探讨其中的原因,首先是半导体科学家在该技术不断发展的关键时刻遇到并克服的一个重要难题。

探索 ALD 技术

半导体行业简史

半导体行业于 20 世纪 60 年代在硅谷起步,但到了 20 世纪 90 年代末,科学界预计摩尔定律的进展即将面临障碍 — 据观察,每块硅芯片的晶体管数量每两年翻一番。这与器件中传统电介质层的技术限制有关,业界明白,很快将需要一种电介质材料来取代 SiO2

这是一个挑战,因为 SiO2 很容易“生长”,并在硅晶圆上保持出色的精度和均匀性。使用更传统的沉积方法,如 CVD 或 PVD 来沉积一种新的电介质材料并不容易。

就在那时,ALD 工艺作为一种新的方法就此出现,它可以实现精确的薄膜厚度以应用新材料。在早期阶段,存在着一些主要的障碍,包括缓慢的沉积率,但随着时间的推移,业界开发出了更有效的方法,在半导体制造中采用ALD工艺。很明显,ALD工艺对于半导体器件制造的未来至关重要,但仍有一些化学物料传输方面的挑战需要应对。

阀门在 ALD 工艺中的重要性

半导体制造厂商正努力在直径 300 mm 的晶圆上保持亚纳米级的沉积薄膜精度。这相当于在整个月球表面涂上一层 1-cm 厚的涂层。在现代半导体器件中,只需要几个额外的原子变化就能明显影响器件的性能。

半导体制造厂商正努力在直径 300 mm 的晶圆上保持亚纳米级的沉积薄膜精度。这相当于在整个月球表面涂上一层 1-cm 厚的涂层。


影响沉积层的一个主要因素是原子层工艺步骤中化学品的浓度。这就要求在每次进料中化学品的输送量具有很高的精度。专门的、高纯度的 ALD 阀门 精确且稳定地停止和启动流入工艺室的化学品的必要元件。

在 ALD 阀门中需要注意的特点

考虑到 ALD 工艺通常涉及到数百个进料步骤,工艺阀的动作量很大 — 有时每周超过一百万次循环。因此,需要有非常高的循环可靠性。由于工艺阀有时充当的是系统中的限流元件,因此流通能力和一致性很重要。不同阀门之间的流量一致性对于实现工艺匹配以及在更换阀门后保持工艺的一致性也很重要。

考虑到 ALD 工艺通常涉及到数百个进料步骤,工艺阀的动作量很大 — 有时每周超过一百万次循环。因此,需要有非常高的循环可靠性。


执行响应时间和一致性也很重要 — 任何影响进料长度的阀门响应时间的变化也会影响输送进料量。例如,较快的阀门打开响应时间和较慢的关闭响应时间会增加进料长度。对于 100 毫秒的进料时间,打开和关闭时间的 3 毫秒变化可以增加 6% 的进料量,这在许多原子层应用中对工艺结果是相当重要的。

原始执行速度也有助于提高有时可能涉及数百个进料步骤的工艺的效率。更快的执行意味着减少每个步骤的用时,这有助于显著减少总工艺时间。

同样重要的是要记住,具有一致的大流量和快速、可重复执行的阀门,只有在与输送的化学品和输送系统的温度相适应时才有用。在许多情况下,特别是在 ALD工艺中,化学前驱体会在未保持足够温度的表面上凝结或沉积,这对工艺会产生不良影响。

其他 ALD 工艺注意事项

ALD 工艺的可重复性与所采用的离散化学进料的一致性和精度有着明确的联系 — 任何可能导致化学品进料变化或差异的因素都会导致相关工艺的变化或差异。所有原子层沉积设备中在基础化学品和晶圆表面之间都有可能存在影响化学品进料的潜在因素,因此在整个系统中选择高质量的管路接头非常重要。

最后,控制工艺阀的气动执行系统在确定 ALD 阀的速度和一致性方面起着重要作用。执行压力和公差、供气和排气管的尺寸和长度、先导阀,甚至使用的气动接头都会影响工艺阀的时间控制,这在任何原子层工艺中都很重要。一个超一致性的 ALD 工艺阀本身是不够的 — 操作阀门的气动系统,以及在某些情况下,准确监测阀门时间控制的传感器也至关重要。

OEM 和工厂如何实现可靠的 ALD 一致性

与一支了解 ALD 工艺相关挑战的知识丰富的团队合作是很好的第一步。了解原子层工艺固有的挑战并有经验解决这些问题的供应商和顾问,对提高 ALD 工艺的精度和一致性有很大的帮助。

在世伟洛克,随着原子层工艺多年来的发展和成熟,我们的团队一直在为整个半导体行业的客户提供支持,我们很高兴能继续在这个持续的历程中提供帮助。有兴趣了解更多关于合适的阀门技术和系统配置如何帮助改善您的 ALD 工艺?我们正在不断努力开发适宜的解决方案,以帮助工厂持续获得成功。浏览我们的产品组合或与我们的半导体专家联系以了解更多信息。

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