Тематическое исследование: Как PBN Crucibles улучшили процесс осаждения тонких пленок

Введение

В современном полупроводниковом производстве чистота материалов не подлежит обсуждению. Один из американских поставщиков вакуумного оборудования, поддерживающий узлы <5 нм, столкнулся с постоянной проблемой: следы загрязнений во время осаждения тонких пленок снижали выход пластин на 3 %.

Существующие компоненты - в основном испарительные лодки и тигли на основе глинозема или графита - вымывали микроскопические примеси в условиях сверхвысокого вакуума и повышенных температур. Компания SAM тесно сотрудничала с инженерной группой, чтобы заменить эти детали на сверхчистые альтернативы из пиролитического нитрида бора (PBN). Замена привела к улучшению однородности пленки, снижению потерь при выходе продукции и многомиллионному сокращению затрат.

Справочная информация

Клиент производит критически важное оборудование для систем MBE (молекулярно-лучевой эпитаксии) и MOCVD (металлоорганического химического осаждения из паровой фазы), используемых в полупроводниковых процессах 5 нм и суб-5 нм.

Их клиенты - крупные фабрики, поставляющие высокопроизводительные чипы для искусственного интеллекта и мобильных устройств, - требуют отсутствия загрязнений на всех этапах процесса. Старые тигли и компоненты футеровки компании, хотя технически и рассчитанные на высокую температуру, вносили незначительные загрязнения во время работы при температуре ≥1600 °C и вакууме 10^-6 Па.

Это загрязнение, не обнаруживаемое при обычном контроле качества, приводило к несоответствию легирования и нестабильности пленки, которые проявлялись только при окончательном тестировании пластин.

Обзор проблемы

Основная проблема заключалась в выделении следовых примесей при высокой температуре и вакууме:

• Глиноземные и графитовые тигли выделяли металлические ионы и углеродные остатки в камеру.

• Эти побочные продукты приводили к аномалиям легирования в пластинах GaAs и SiC.

• Результат: снижение выхода продукции на ~3%, увеличение стоимости металлолома и проблемы с надежностью на последующем этапе.

Фабрикам требовались компоненты с:

• Сверхнизкое газовыделение

• Высокая устойчивость к тепловым ударам

• Отсутствие химического взаимодействия с материалами III-V или материалами с широкой полосой пропускания

• Стабильность размеров при температуре выше 1600 °C.

Сравнение материалов

Рекомендуемое решение

Компания SAM поставила изготовленные на заказ тигли PBN и внутренние вкладыши для замены имеющихся у заказчика компонентов на основе оксида и углерода. Эти детали были изготовлены методом химического осаждения из паровой фазы (CVD), что позволило получить:

• Полностью непористые, герметичные поверхности

• Нулевые границы зерен (отсутствие осыпания частиц)

• Высокая чистота, превышающая 99,999%.

• Стабильная работа при температуре до 1800 °C в вакууме и инертном газе.

Формы компонентов:

• Тигли из PBN для высокотемпературных источников испарения

• Трубчатые вкладыши из PBN, используемые в камерах MOCVD и MBE.

Лиза Росс, инженер по материалам компании SAM, пояснила:

"Структура PBN по своей сути отличается. Она создается молекула за молекулой в процессе осаждения, что обеспечивает нам такой уровень чистоты и целостности, с которым спеченная керамика просто не может сравниться".

Результаты

Выход продукции и стабильность процесса

• Однородность толщины пленки улучшилась с ±3% до ±1,5%.

• Загрязнения, обнаруженные методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS), снизились на порядок

  • Al₂O₃: 0,1% остаточных примесей

  • PBN: обнаружено ≤0,01%.

Влияние на стоимость

• Сокращение количества лома позволило заводу ежегодно экономить более 2,7 млн. долл.

• Увеличение интервалов технического обслуживания (не требуется очистка от хлопьев и частиц)

• Повышена уверенность оператора в стабильности при быстрых циклах наращивания/замачивания.

Вызов со стороны рынка

Хотя преимущества PBN в плане производительности очевидны, их внедрение по-прежнему наталкивается на сопротивление в областях, чувствительных к стоимости:

• Детали из PBN стоят на 4-5× больше, чем эквивалентные детали из глинозема или графита.

• Команды, занимающиеся закупками, часто сопоставляют краткосрочную экономию с долгосрочной стабильностью.

Этот сдвиг вызвал дискуссию во всей цепочке поставок: Должны ли критически важные области применения чистоты ставить во главу угла окупаемость в течение всего срока службы, а не первоначальные затраты на компоненты? Поддержка SAM, основанная на данных, помогла заказчикам создать внутреннее обоснование.

Заключение

В вакуумном напылении для производства полупроводников материал, лежащий в основе материала, имеет значение. Даже незначительные примеси из субкомпонентов могут подорвать точность, необходимую для современного производства полупроводниковых пластин.

Перейдя на тигли и футеровку PBN, заказчик не только повысил выход пластин и однородность тонких пленок, но и помог поднять планку чистоты технологического оборудования в масштабе 5 нм.

Stanford Advanced Materials продолжает лидировать в поставках высокопроизводительной керамики, отвечающей самым строгим требованиям к чистоте, температуре и размерам в отрасли.

Готовы сотрудничать с нами? Отправьте запрос сегодня.

Также смотрите нашу категорию "Нитрид бора" здесь.