دراسة حالة: كيف حسنت بوتقات PBN من ترسيب الأغشية الرقيقة

مقدمة

في تصنيع أشباه الموصلات المتقدمة، نقاء المواد غير قابل للتفاوض. واجه أحد موردي معدات التفريغ في الولايات المتحدة التي تدعم عقد أقل من 5 نانومتر مشكلة متكررة: كان التلوث النزر أثناء ترسيب الأغشية الرقيقة يقلل من إنتاجية الرقاقة بنسبة تصل إلى 3%.

كانت مكوناتهم الحالية - خاصةً قوارب التبخير القائمة على الألومينا أو الجرافيت والبوتقات - ترشح شوائب مجهرية تحت تفريغ عالي للغاية ودرجات حرارة مرتفعة. عملت شركة SAM عن كثب مع الفريق الهندسي لاستبدال هذه الأجزاء ببدائل نيتريد البورون النيتريد البيروليتي فائقة النقاء (PBN). وقد أدى هذا التحول إلى تحسين تجانس الأغشية، وتقليل خسائر الإنتاجية، وتخفيض التكلفة بالملايين.

الخلفية

يُنتج العميل أجهزة مهمة لأنظمة MBE (الحزمة الجزيئية للإبنتاكس) وMOCVD (ترسيب البخار الكيميائي العضوي المعدني) المستخدمة في عمليات أشباه الموصلات 5 نانومتر ودون 5 نانومتر.

ويطلب عملاؤها، وهم شركات التصنيع الكبرى التي تزود الرقائق عالية الأداء للذكاء الاصطناعي والأجهزة المحمولة، عدم حدوث تلوث في كل مرحلة من مراحل العملية. وعلى الرغم من أن البوتقات والمكونات المبطنة القديمة للشركة، رغم تصنيفها تقنيًا لدرجات الحرارة العالية، إلا أنها أدخلت ملوثات هامشية أثناء التشغيل عند ≥1600 درجة مئوية و10^-6 باسكال فراغ.

وقد تسبب هذا التلوث، الذي لا يمكن اكتشافه أثناء ضمان الجودة الروتيني، في حدوث تناقضات في المنشطات وعدم استقرار الرقاقة التي لم تظهر إلا في اختبار الرقاقة النهائي.

نظرة عامة على المشكلة

تمثلت المشكلة الأساسية في إطلاق الشوائب النزرة تحت حرارة عالية وتفريغ الهواء:

• أطلقت البوتقات المصنوعة من الألومينا والجرافيت أيونات معدنية وبقايا كربونية في الغرفة

• أدت هذه المنتجات الثانوية إلى شذوذات منشطات في رقائق GaAs و SiC

• النتيجة: انخفاض الإنتاجية بنسبة 3٪ تقريبًا، وارتفاع تكاليف الخردة، ومخاوف تتعلق بالموثوقية في المراحل النهائية

تطلبت المصانع مكونات ذات:

• غازات خارجية منخفضة للغاية

• مقاومة عالية للصدمات الحرارية

• لا يوجد تفاعل كيميائي مع مواد III-V أو مواد ذات فجوة واسعة النطاق

• ثبات الأبعاد فوق 1600 درجة مئوية

مقارنة المواد

الحل الموصى به

قامت شركة SAM بتوريد بوتقات PBN وبطانات داخلية مصنوعة خصيصًا لتحل محل المكونات الحالية للعميل القائمة على الأكسيد والكربون. تم تصنيع هذه الأجزاء عن طريق ترسيب البخار الكيميائي (CVD)، مما أدى إلى:

• أسطح محكمة الغلق وغير مسامية تمامًا

• حدود حبيبية صفرية (لا يوجد تساقط للجسيمات)

• نقاوة عالية تتجاوز 99.999%.

• أداء مستقر يصل إلى 1800 درجة مئوية في بيئات التفريغ والغاز الخامل

أشكال المكونات متضمنة:

• بوتقات PBN لمصادر التبخير في درجات الحرارة العالية

• بطانات أنابيب PBN المستخدمة في غرف MOCVD وMBE

أوضحت ليزا روس، مهندسة المواد في SAM:

"إن بنية PBN مختلفة بطبيعتها. حيث يتم بناؤه جزيئًا بجزيء أثناء الترسيب، مما يمنحنا مستوى من النقاء والتكامل لا يمكن للسيراميك الملبد أن يضاهيه".

النتائج

العائد واستقرار العملية

• تحسن تجانس سماكة الغشاء من ± 3% إلى ± 1.5%

• انخفض التلوث الذي تم اكتشافه بواسطة XPS (التحليل الطيفي الضوئي بالأشعة السينية) بمقدار من حيث الحجم

  • Al₂O₃₃ 0.1% شوائب متبقية

  • PBN: ≤0.01% المكتشفة

تأثير التكلفة

• وفر تخفيض الخردة على المصنع أكثر من 2.7 مليون دولار سنويًا

• تمديد فترات الصيانة (لا حاجة إلى تنظيف القشور أو الجسيمات)

• زيادة ثقة المشغل في الاستقرار في ظل دورات الانحدار السريع/النقع السريع

التحدي من السوق

على الرغم من أن مزايا أداء PBN واضحة، إلا أن اعتمادها لا يزال يواجه مقاومة في المناطق الحساسة من حيث التكلفة:

• تكلف أجزاء PBN 4-5 أضعاف تكلفة الألومينا أو الجرافيت المكافئ

• غالبًا ما توازن فرق المشتريات بين الوفورات قصيرة الأجل مقابل الاستقرار طويل الأجل

وقد أثار هذا التحول نقاشًا عبر سلسلة التوريد: هل يجب أن تعطي تطبيقات النقاء الحرجة الأولوية لعائد الاستثمار مدى الحياة على تكاليف المكونات الأولية؟ ساعد دعم SAM المدعوم بالبيانات العملاء على بناء هذه الحالة داخليًا.

الخلاصة

في الترسيب الفراغي لتصنيع أشباه الموصلات، فإن المادة الكامنة وراء المادة مهمة. حتى الشوائب النزرة من المكونات الفرعية يمكن أن تقوض الدقة المطلوبة لإنتاج الرقاقات الحديثة.

ومن خلال التحوّل إلى بوتقات وبطانات PBN، لم يحسّن العميل إنتاجية الرقاقة وتوحيد الرقاقات الرقيقة فحسب، بل ساعد أيضًا في رفع المعيار لما يجب أن تبدو عليه أجهزة المعالجة النظيفة على نطاق 5 نانومتر.

تواصل شركة Stanford Advanced Materials ريادتها في توريد السيراميك عالي الأداء الذي يلبي متطلبات النقاء والحرارة والأبعاد الأكثر صرامة في الصناعة.

هل أنت مستعد للعمل معنا؟ أرسل استفساراً اليوم.

انظر أيضاً فئة نيتريد البورون لدينا هنا.