Étude de cas : Comment les creusets PBN ont amélioré le dépôt de couches minces

Introduction

Dans la fabrication de semi-conducteurs avancés, la pureté des matériaux n'est pas négociable. Un fournisseur américain d'équipements sous vide prenant en charge les nœuds <5 nm a rencontré un problème récurrent : la contamination des traces pendant le dépôt de couches minces diminuait le rendement des plaquettes jusqu'à 3 %.

Leurs composants existants - principalement des cuves d'évaporation et des creusets à base d'alumine ou de graphite - lixiviaient des impuretés microscopiques sous ultravide et à des températures élevées. SAM a travaillé en étroite collaboration avec l'équipe d'ingénieurs pour remplacer ces pièces par des alternatives en nitrure de bore pyrolytique (PBN) ultra-pur. Ce changement a permis d'améliorer l'uniformité du film, de réduire les pertes de rendement et de diminuer les coûts de plusieurs millions d'euros.

Contexte

Le client produit du matériel essentiel pour les systèmes MBE (Molecular Beam Epitaxy) et MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapor Deposition) utilisés dans les procédés de semi-conducteurs 5 nm et sub-5 nm.

Ses clients, de grandes usines fournissant des puces de haute performance pour l'intelligence artificielle et la téléphonie mobile, exigent une contamination nulle du processus à chaque étape. Les anciens creusets et composants de revêtement de l'entreprise, bien que techniquement conçus pour des températures élevées, introduisaient des contaminants marginaux pendant le fonctionnement à ≥1600 °C et 10^-6 Pa de vide.

Cette contamination, indétectable lors de l'assurance qualité de routine, a provoqué des incohérences de dopage et une instabilité du film qui n'est apparue qu'au moment du test final de la plaquette.

Aperçu du problème

Le principal problème était la libération de traces d'impuretés à haute température et sous vide :

• Les creusets en alumine et en graphite libéraient des ions métalliques et des résidus à base de carbone dans la chambre

• Ces sous-produits ont entraîné des anomalies de dopage dans les plaquettes de GaAs et de SiC.

• Résultat : une réduction du rendement de ~3%, des coûts de rebut élevés et des problèmes de fiabilité en aval.

Les fabricants avaient besoin de composants avec :

• un dégazage ultra-faible

• une résistance élevée aux chocs thermiques

• Pas d'interaction chimique avec les matériaux III-V ou à large bande interdite

• Stabilité dimensionnelle au-dessus de 1600 °C

Comparaison des matériaux

Solution recommandée

SAM a fourni des creusets PBN et des revêtements intérieurs fabriqués sur mesure pour remplacer les composants à base d'oxyde et de carbone existants du client. Ces pièces ont été fabriquées par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) :

• des surfaces totalement non poreuses et scellées

• Zéro limite de grain (pas de détachement de particules)

• une pureté élevée, supérieure à 99,999 %.

• des performances stables jusqu'à 1800 °C dans des environnements sous vide et sous gaz inerte.

Formes de composants incluses :

• Creusets PBN pour les sources d'évaporation à haute température

• Revêtements de tubes PBN utilisés dans les chambres MOCVD et MBE

Lisa Ross, ingénieur en matériaux chez SAM, explique :

"La structure du PBN est intrinsèquement différente. Elle est construite molécule par molécule pendant le dépôt, ce qui nous donne un niveau de pureté et d'intégrité que les céramiques frittées ne peuvent pas égaler."

Résultats

Rendement et stabilité du processus

• L'uniformité de l'épaisseur du film est passée de ± 3 % à ± 1,5 %.

• La contamination détectée par XPS (spectroscopie photoélectronique à rayons X) a diminué d'un ordre de grandeur.

  • Al₂O₃ : 0,1 % d'impureté résiduelle

  • PBN : ≤0,01% détecté

Impact sur les coûts

• La réduction de la ferraille a permis à l'usine d'économiser plus de 2,7 millions de dollars par an.

• Allongement des intervalles de maintenance (pas de nettoyage de paillettes ou de particules nécessaire)

• Augmentation de la confiance de l'opérateur dans la stabilité lors des cycles rapides de rampe et de trempage.

Défi lancé par le marché

Bien que les avantages du PBN en termes de performances soient évidents, son adoption se heurte encore à une certaine résistance dans les secteurs sensibles aux coûts :

• Les pièces en PBN coûtent 4 à 5 fois plus cher que des pièces équivalentes en alumine ou en graphite.

• Les équipes chargées des achats mettent souvent en balance les économies à court terme et la stabilité à long terme.

Ce changement a suscité un débat dans toute la chaîne d'approvisionnement : Les applications de pureté critique devraient-elles donner la priorité au retour sur investissement à long terme plutôt qu'aux coûts initiaux des composants ? Le soutien de SAM, basé sur des données, a aidé les clients à construire ce dossier en interne.

Conclusion

Dans le dépôt sous vide pour la fabrication de semi-conducteurs, le matériau derrière le matériau est important. Même des traces d'impuretés provenant de sous-composants peuvent compromettre la précision requise pour la production moderne de plaquettes.

En adoptant les creusets et les chemises PBN, le client a non seulement amélioré le rendement des plaquettes et l'uniformité des couches minces, mais il a également contribué à élever le niveau de référence pour ce que devrait être un matériel de processus propre à l'échelle de 5 nm.

Stanford Advanced Materials continue de jouer un rôle de premier plan dans la fourniture de céramiques de haute performance répondant aux exigences les plus strictes de l'industrie en matière de pureté, de température et de dimensions.

Si vous êtes prêt à travailler avec nous, envoyez-nous une demande de renseignements dès aujourd'hui.

Consultez également notre catégorie sur le nitrure de bore ici.