Caso di studio: Come i crogioli PBN hanno migliorato la deposizione di film sottili

Introduzione

Nella produzione avanzata di semiconduttori, la purezza dei materiali non è negoziabile. Un fornitore statunitense di apparecchiature per il vuoto che supporta nodi da <5 nm ha riscontrato un problema ricorrente: le tracce di contaminazione durante la deposizione di film sottile riducevano la resa dei wafer fino al 3%.

I componenti esistenti - principalmente barche e crogioli di evaporazione a base di allumina o grafite - lisciviavano impurità microscopiche sotto vuoto spinto e a temperature elevate. SAM ha lavorato a stretto contatto con il team di ingegneri per sostituire questi componenti con alternative di nitruro di boro pirolitico (PBN) ultra-puro. Il passaggio ha portato a una migliore uniformità del film, a minori perdite di rendimento e a una riduzione dei costi di milioni di euro.

Il contesto

Il cliente produce hardware di importanza critica per i sistemi MBE (Molecular Beam Epitaxy) e MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) utilizzati nei processi di semiconduttori a 5 nm e inferiori a 5 nm.

I loro clienti, le principali fabbriche che forniscono chip ad alte prestazioni per l'intelligenza artificiale e la telefonia mobile, richiedono una contaminazione del processo pari a zero in ogni fase. I crogioli e i componenti del liner dell'azienda, pur essendo tecnicamente adatti alle alte temperature, introducevano contaminanti marginali durante il funzionamento a ≥1600 °C e 10^-6 Pa di vuoto.

Questa contaminazione, non rilevabile durante il controllo qualità di routine, ha causato incongruenze di drogaggio e instabilità del film che sono emerse solo durante il test finale del wafer.

Panoramica del problema

Il problema principale era il rilascio di tracce di impurità in condizioni di calore e vuoto elevati:

• I crogioli di allumina e grafite rilasciavano ioni metallici e residui a base di carbonio nella camera.

• Questi sottoprodotti hanno causato anomalie di drogaggio nei wafer di GaAs e SiC.

• Risultato: riduzione della resa di circa il 3%, costi di scarto elevati e problemi di affidabilità a valle

Le fabbriche hanno richiesto componenti con:

• bassissimo degassamento

• Elevata resistenza agli shock termici

• Nessuna interazione chimica con materiali III-V o wide-bandgap

• Stabilità dimensionale oltre i 1600 °C

Confronto tra i materiali

Soluzione consigliata

SAM ha fornito crogioli e rivestimenti interni in PBN fabbricati su misura per sostituire i componenti esistenti a base di ossido e carbonio del cliente. Questi componenti sono stati fabbricati mediante deposizione di vapore chimico (CVD), ottenendo:

• Superfici completamente non porose e sigillate

• Zero confini dei grani (nessuna dispersione di particelle)

• Elevata purezza, superiore al 99,999%

• Prestazioni stabili fino a 1800 °C in ambienti sotto vuoto e con gas inerte.

Forme di componenti incluse:

• Crogioli in PBN per sorgenti di evaporazione ad alta temperatura

• Rivestimenti per tubi in PBN utilizzati nelle camere MOCVD e MBE.

Lisa Ross, ingegnere dei materiali presso SAM, ha spiegato:

"La struttura del PBN è intrinsecamente diversa. Viene costruita molecola per molecola durante la deposizione, il che ci dà un livello di purezza e integrità che la ceramica sinterizzata non può eguagliare".

Risultati

Resa e stabilità del processo

• L'uniformità dello spessore del film è migliorata da ±3% a ±1,5%.

• La contaminazione rilevata da XPS (spettroscopia fotoelettrica a raggi X) è diminuita di un ordine di grandezza

  • Al₂O₃: 0,1% di impurità residua

  • PBN: ≤0,01% rilevato

Impatto sui costi

• La riduzione degli scarti ha fatto risparmiare allo stabilimento oltre 2,7 milioni di dollari all'anno

• Intervalli di manutenzione più lunghi (non è necessaria la pulizia di scaglie o particelle)

• Aumento della fiducia dell'operatore nella stabilità in cicli di rampa/ammollo rapidi

La sfida del mercato

Sebbene i vantaggi prestazionali del PBN siano evidenti, l'adozione incontra ancora resistenza in aree sensibili ai costi:

• I componenti in PBN costano 4-5 volte di più rispetto a quelli equivalenti in allumina o grafite.

• I team di approvvigionamento spesso soppesano i risparmi a breve termine rispetto alla stabilità a lungo termine.

Il cambiamento ha suscitato una discussione in tutta la catena di fornitura: Le applicazioni di purezza critica dovrebbero privilegiare il ROI a vita rispetto ai costi iniziali dei componenti? Il supporto di SAM, supportato dai dati, ha aiutato i clienti a costruire questo caso internamente.

Conclusione

Nella deposizione sotto vuoto per la produzione di semiconduttori, il materiale dietro al materiale è importante. Anche le tracce di impurità dei sottocomponenti possono compromettere la precisione richiesta dalla moderna produzione di wafer.

Passando ai crogioli e ai rivestimenti PBN, il cliente non solo ha migliorato la resa dei wafer e l'uniformità del film sottile, ma ha anche contribuito a innalzare il livello di riferimento per l'hardware dei processi puliti su scala 5 nm.

Stanford Advanced Materials continua a essere leader nella fornitura di ceramiche ad alte prestazioni che soddisfano i più severi requisiti di purezza, termici e dimensionali del settore.

Se siete pronti a lavorare con noi, inviate una richiesta oggi stesso.

Inoltre, consultate la nostra categoria sul nitruro di boro qui.