Estudo de caso: Como os cadinhos PBN melhoraram a deposição de película fina

Introdução

Na fabricação avançada de semicondutores, a pureza dos materiais não é negociável. Um fornecedor de equipamentos a vácuo sediado nos EUA, que suporta nós <5 nm, encontrou um problema recorrente: a contaminação de traços durante a deposição de filmes finos estava reduzindo o rendimento do wafer em até 3%.

Seus componentes existentes - principalmente barcos de evaporação e cadinhos à base de alumina ou grafite - estavam lixiviando impurezas microscópicas sob vácuo ultra-alto e temperaturas elevadas. A SAM trabalhou em estreita colaboração com a equipe de engenharia para substituir essas peças por alternativas ultrapuras de nitreto de boro pirolítico (PBN). A mudança levou a uma melhor uniformidade do filme, menos perdas de rendimento e reduções de custo na casa dos milhões.

Histórico

O cliente produz hardware essencial para sistemas MBE (Molecular Beam Epitaxy) e MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) usados em processos de semicondutores de 5 nm e sub-5 nm.

Seus clientes - as principais fábricas que fornecem chips de alto desempenho para IA e dispositivos móveis - exigem contaminação zero do processo em todas as etapas. Os cadinhos e componentes de revestimento antigos da empresa, embora tecnicamente classificados para alta temperatura, introduziram contaminantes marginais durante a operação a ≥1600 °C e 10^-6 Pa de vácuo.

Essa contaminação, indetectável durante o controle de qualidade de rotina, causou inconsistências de dopagem e instabilidade do filme que só apareceram no teste final do wafer.

Visão geral do problema

O principal problema era a liberação de traços de impureza sob alto calor e vácuo:

• Os cadinhos de alumina e grafite liberavam íons metálicos e resíduos à base de carbono na câmara

• Esses subprodutos levaram a anomalias de dopagem nos wafers de GaAs e SiC

• Resultado: redução de rendimento de ~3%, custos elevados de sucata e preocupações com a confiabilidade no downstream

As fábricas precisavam de componentes com:

• Ultrabaixa liberação de gases

• Alta resistência a choques térmicos

• Nenhuma interação química com materiais III-V ou de grande intervalo de banda

• Estabilidade dimensional acima de 1600 °C

Comparação de materiais

Solução recomendada

A SAM forneceu cadinhos e revestimentos internosde PBN fabricados sob medida para substituir os componentes à base de óxido e carbono existentes no cliente. Essas peças foram fabricadas por meio de deposição de vapor químico (CVD), resultando em

• Superfícies completamente não porosas e vedadas

• Limites de grão zero (sem desprendimento de partículas)

• Alta pureza superior a 99,999%

• Desempenho estável até 1800 °C em ambientes de vácuo e gás inerte

Formas de componentes incluídas:

• Cadinhos de PBN para fontes de evaporação de alta temperatura

• Revestimentos de tubos de PBN usados em câmaras de MOCVD e MBE

Lisa Ross, engenheira de materiais da SAM, explicou:

"A estrutura do PBN é inerentemente diferente. Ela é construída molécula por molécula durante a deposição, o que nos proporciona um nível de pureza e integridade que as cerâmicas sinterizadas simplesmente não conseguem igualar."

Resultados

Rendimento e estabilidade do processo

• A uniformidade da espessura do filme melhorou de ±3% para ±1,5%

• A contaminação detectada por XPS (espectroscopia de fotoelétrons de raios X) caiu em uma ordem de grandeza

  • Al₂O₃: 0,1% de impureza residual

  • PBN: ≤0,01% detectado

Impacto nos custos

• A redução de sucata economizou à fábrica mais de US$ 2,7 milhões por ano

• Intervalos de manutenção estendidos (sem necessidade de limpeza de flocos ou partículas)

• Aumento da confiança do operador na estabilidade em ciclos rápidos de rampa/imersão

Desafio do mercado

Embora as vantagens de desempenho do PBN sejam claras, a adoção ainda encontra resistência em áreas sensíveis ao custo:

• As peças de PBN custam de 4 a 5 vezes mais do que as de alumina ou grafite equivalentes

• As equipes de compras geralmente ponderam a economia de curto prazo em relação à estabilidade de longo prazo

A mudança provocou uma discussão em toda a cadeia de suprimentos: As aplicações de pureza crítica devem priorizar o ROI vitalício em relação aos custos iniciais dos componentes? O suporte baseado em dados da SAM ajudou os clientes a criar esse caso internamente.

Conclusão

Na deposição a vácuo para a fabricação de semicondutores, o material por trás do material é importante. Até mesmo traços de impurezas de subcomponentes podem prejudicar a precisão necessária para a produção moderna de wafer.

Ao mudar para cadinhos e revestimentos de PBN, o cliente não apenas melhorou o rendimento do wafer e a uniformidade da película fina, mas também ajudou a elevar o padrão de referência de como deve ser o hardware de processo limpo na escala de 5 nm.

A Stanford Advanced Materials continua a liderar o fornecimento de cerâmicas de alto desempenho que atendem aos mais exigentes requisitos de pureza, térmicos e dimensionais do setor.

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