面向 ALD 先进制程的热浸没型隔膜阀

面向 ALD 先进制程的热浸没型隔膜阀

 

随着半导体产业的持续发展,器件和特征尺寸不断缩小,对半导体制造工艺提出了更加严苛的要求。原子层沉积(Atomic Layer Deposition, ALD)是一种自限式的表面反应技术,凭借其对薄膜厚度精准的控制能力,成为先进制程的核心支柱。

 

这种精密工艺的实现,不仅依赖于高真空反应腔体,更离不开极其严苛的气体输送与控制系统。飞托克 ALD 系列原子层沉积隔膜阀循环寿命高、响应速度快,并且具有很高的流量一致性,能够为工艺过程提供精确的气体输送,适用于超高纯应用,尤其适用于对阀门各项性能有严苛要求的 ALD 先进制程技术。

 

ALD 工艺对流体控制的严苛要求

 

 

当特征尺寸缩小至 45 nm 以下时,为满足器件性能和功耗需求,高介电常数(High-k)材料常被应用于器件的栅极介电层,氧化铪(HfO₂)是其中的一种重要材料。原子层沉积(ALD)通过不同反应物与基底表面活性位点之间交替进行的自限制性表面反应,能够在复杂的三维结构表面制备高质量的薄膜。在以四氯化铪(HfCl₄)作为前驱体、水(H₂O)作为共反应物的 ALD 工艺中,一个完整的循环包含两个半反应:

 

半反应 A(HfCl₄ 脉冲):HfCl₄ 与表面羟基位点(Hf–OH*)反应
半反应 B(H₂O 脉冲):H₂O 与表面含氯位点(Hf–Cl*)反应
两个半反应之间通常通过吹扫步骤清除残余反应物和气态副产物,实现薄膜的逐循环生长。

 

该工艺要求每一步的气体脉冲时间极短(通常在毫秒级),且必须保证极高的剂量一致性。同时,工艺中应用日益广泛的铪基、钽基和钼基前驱体,如四氯化铪(HfCl₄)、五氯化钽(TaCl₅)和五氯化钼(MoCl₅)等,还必须在高温环境下保持稳定的相态,避免冷凝。

 

原子层工艺阀门的特征

 

 

  • 热浸没型设计

 

原子层沉积(ALD)使用的前驱体种类繁多,部分前驱体(如钽基、铟基、铪基前驱体)在室温下蒸气压较低,以低挥发性液态或固态存在,容易在气体输送管路及阀门内表面发生冷凝,因此需要对介质输送管路及配套阀门进行加热,以维持前驱体的稳定相态。原子层工艺对前驱体温度控制精度及前驱体输送稳定性有极高要求,例如 HfCl₄ 温度偏差 0.1 °C 可导致蒸气压波动 5%~8%,进而影响前驱体的剂量。

 

针对高温前驱体输送过程中对温度均匀性的要求,飞托克热浸没型 ALD 系列隔膜阀支持阀体与执行器整体加热至 220 °C,通常将整个阀门组件置于烘箱内或采用加热夹套的方式实现。不同于传统耐热型 ALD 隔膜阀在阀体与执行器之间设置隔热结构,容易形成温度梯度的设计,该系列通过对阀体及执行器进行整体加热,使阀门组件保持更加均匀的温度分布,降低前驱体在阀内冷凝的风险,提高工艺稳定性。

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飞托克热浸没型 ALD 系列隔膜阀支持阀体与执行器整体加热至 220 °C,使阀门组件保持更加均匀的温度分布,降低前驱体在阀内冷凝的风险,提高工艺稳定性。

图 1 展示了 ALD 系列三种类型阀门的加热测试结果。测试过程中,标准型和耐热型均仅对阀体进行加热,并将流道内阀座处的温度控制在 200 °C。从图中可以看出,这两种类型阀门的温度分布均存在一定的不均匀性。相比之下,热浸没型阀门通过对阀门整体加热,改善了温度分布,更适用于对温度均匀性有严苛要求的应用场景。

 

飞托克三款热浸没型ALD隔膜阀型号对比

图 1 飞托克 ALD 系列隔膜阀的三种类型

 

  • 优异的一致性

 

ALD 工艺为原子尺度的反应,一次薄膜沉积通常需要经过大量工艺循环,且每次循环输送的前驱体量非常少,这就需要阀门具备高的流量一致性和极短的响应时间。飞托克 ALD 系列隔膜阀具有优异的全寿命 Cv 一致性,可在长期循环运行过程中保持稳定的流通特性,有助于提高不同循环之间的气体输送一致性和工艺可重复性。

 

  • 低泄漏风险

 

ALD 工艺能够满足复杂的三维结构对沉积的需求,实现高深宽比结构的加工。工艺过程中经常用到不稳定且对环境和人体有毒有害的介质,因此对阀门在高温工况下的密封可靠性提出了较高要求。飞托克热浸没型 ALD 系列隔膜阀即使在阀门整体被加热至高温的情况下,依然能够保持可靠的密封性能,从而降低工艺介质向外部环境泄漏的风险。

 

  • 高流通能力

 

在 ALD 工艺中,系统阀门的流量系数(Cv)是影响工艺气体瞬态流量和脉冲响应特性的重要参数之一,进而影响表面吸附的自限制反应。ALD-6 的 Cv 达到 0.62,约为原 ALD-4 的 2.3 倍,且所有 ALD 系列阀门的 Cv 值可根据工艺参数进行单独设置,以满足不同工艺对流通能力的要求。

 

应对日益严苛的工况

 

 

自第一款 ALD 系列原子层沉积隔膜阀 ALD-4(标准型)推出以来,飞托克紧跟市场需求和客户的定制化需求,围绕流量和使用温度对该系列进行了两次升级,分别推出了流量系数 Cv 为 0.62 的 ALD-6 和可整体加热的热浸没型隔膜阀(型号为 -HJ)。图 2 展示了飞托克 ALD 系列隔膜阀在工作温度、Cv 值维度上的规格分布。

 

飞托克热浸没型ALD隔膜阀概览

图 2 飞托克 ALD 系列隔膜阀概览

 

此外,飞托克 ALD 系列隔膜阀可提供 3 孔口(仅 W/C 型密封)、分支型以及阀组等配置(见图 3),以满足不同阀门集成需求。其中,3 孔口和分支型配置可通过单个阀门向多条管路供应前驱体,阀组则可将输送和吹扫功能集成于一体,在节省管路空间的同时,减少多阀门连接带来的潜在泄漏点。阀门采用金属密封结构,确保了全寿命的优异密封性能。

 

不同配置的飞托克ALD系列隔膜阀

图 3 多种形式的 ALD 系列隔膜阀

 

未来,飞托克将持续与客户紧密合作,深入理解先进制程不断变化的工况需求,通过持续的产品创新与技术升级,为客户提供更加稳定、可靠的流体控制解决方案,与客户共同应对日益严苛的工艺挑战。

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