Inchfab utilizza il controllo di portata massica e di pressione nei sistemi di fabbricazione su scala nanometrica

Contesto: i sistemi di fabbricazione su scala nanometrica & Inchfab

Contesto: i sistemi di fabbricazione su scala nanometrica & Inchfab

Figura 1. Prototipo del sistema ICP-CVD di Inchfab

La crescente domanda di potenza di calcolo negli ultimi 60 e più anni ha portato ad aumenti esponenziali sia della complessità dei dispositivi sia dei volumi di produzione. Per tenere il passo con questa domanda, gli ultimi progressi della tecnologia di micro- e nanofabbricazione sono diventati inestricabilmente legati a dimensioni dei substrati sempre maggiori. Ciò ha portato ad alcune delle imprese ingegneristiche più straordinarie della storia.

Non sorprende che realizzare tali imprese non sia stato né economico né semplice. Il costo di capitale dei moderni impianti di fabbricazione su scala nanometrica (“fab”) si spinge ormai regolarmente fino a miliardi di dollari e richiede rigorosi controlli di processo che limitano fortemente i tipi di dispositivi che una singola fab può realizzare. L’alto costo e la scarsa flessibilità della fabbricazione su scala nanometrica sono diventati un ostacolo importante in molti mercati diversi per i gruppi che cercano di sviluppare dispositivi innovativi.

La piattaforma innovativa di Inchfab, composta da strumenti di fabbricazione ad alte prestazioni e a costo ultra-ridotto, sta abbattendo quell’ostacolo separando le capacità di lavorazione avanzate dalle grandi dimensioni dei substrati. Facendo un passo indietro rispetto ai substrati di diametro 150 – 300 mm (≈1 piede) comunemente utilizzati oggi nella produzione ad alto volume, il costo di capitale e l’ingombro fisico degli strumenti e degli impianti necessari per la fabbricazione su scala nanometrica possono essere ridotti di ordini di grandezza, aumentandone radicalmente l’accessibilità. Inoltre, Inchfab ha dimostrato che l’uso di substrati più piccoli può anche portare a miglioramenti delle prestazioni rispetto agli strumenti commerciali esistenti. Si veda il loro prototipo di sistema ICP‑CVD nella Figura 1.

Sfida 1: controllo di portata massica ripetibile e uniforme

Due delle caratteristiche più importanti richieste ai sistemi di micro- e nanofabbricazione sono la ripetibilità da un ciclo all’altro e l’uniformità spaziale. Raggiungere alti livelli di ripetibilità e uniformità dipende dalla capacità di controllare molti ingressi di processo e condizioni ambientali diversi. Tra i più importanti vi sono le portate massiche e le pressioni di processo.

Soluzione: controllo di portata massica a pressione differenziale laminare

Figura 2. Schema a blocchi che mostra come vengono utilizzati i regolatori Alicat nel sistema ICP‑CVD di Inchfab.

Inchfab aveva bisogno di una soluzione di portata massica economica, con tempi di risposta rapidi, ampi campi di funzionamento e nessun tempo di riscaldamento. Ha finito per scegliere i regolatori di portata massica (MFC) Alicat, principalmente per i vantaggi derivanti dal loro principio di funzionamento basato sulla pressione differenziale laminare. Questi regolatori hanno offerto a Inchfab misure ad alta accuratezza fino allo 0,6% della lettura, tempi di risposta di 30 ms, un campo di controllo da 0,01 a 100% del fondo scala e nessun tempo di riscaldamento. La Figura 2 mostra come gli MFC Alicat sono collegati nel sistema ICP-CVD di Inchfab.

Sfida 2: profili di temperatura del substrato ripetibili e uniformi

Proprio come per portate massiche affidabili, anche profili di temperatura del substrato ripetibili e uniformi sono essenziali per profili di deposizione e di incisione costanti e uniformi. Ad esempio, nell’incisione al plasma, il calore in eccesso sul substrato è generato in gran parte dal bombardamento di particelle energetiche generate nella scarica di plasma e da reazioni chimiche esotermiche sulla superficie del substrato. Nell’incisione del silicio a base di fluoro, all’aumentare della temperatura del substrato la velocità di incisione diminuisce e i materiali di mascheratura di uso comune, come il fotoresist, possono iniziare a erodersi, riducendo la selettività. Per contrastare questo riscaldamento si utilizzano scambiatori di calore che allontanano il calore dal substrato. Poiché i substrati in lavorazione possono avere strutture delicate sul lato posteriore, il contatto termico diretto con il gruppo chuck non è consigliabile. Una soluzione efficace è quindi introdurre uno strato di gas conduttore di calore tra il substrato e il chuck.

Soluzione: controllo integrato della pressione per vuoto

Figura 3. Regolatore di pressione Alicat IVC‑Series con collettore aggiuntivo per il trasferimento di calore al substrato

Per migliorare il trasferimento di calore tra i gruppi chuck e i substrati in lavorazione, Inchfab ha utilizzato un regolatore di pressione IVC‑Series Alicat (si veda la Figura 3). Questo regolatore di pressione manteneva pressioni di gas sub-atmosferiche (in genere 5 – 20 torr, a seconda del processo) sul lato posteriore del substrato, riducendo al minimo il tempo necessario per raggiungere l’equilibrio termico con il gruppo chuck e mantenendo l’equilibrio durante tutta la lavorazione.

Il sensore per vuoto del regolatore di pressione IVC ha fornito una misura di pressione precisa e indipendente dal gas nello strato substrato-chuck, con la possibilità di essere instradato indipendentemente dall’uscita del fluido. Inchfab ha potuto sostituire un regolatore più costoso con questo dispositivo e ha eliminato diversi componenti hardware di controllo aggiuntivi grazie a un’interfaccia digitale comune tra l’IVC e gli MFC. Ha inoltre potuto utilizzare il protocollo di comunicazione digitale Alicat standard e intuitivo, rendendo molto semplice monitorare la pressione e aggiornare i setpoint ogni volta che serve. La Figura 2 mostra come l’IVC (indicato come Alicat conductor) è integrato nel sistema ICP‑CVD di Inchfab.

Conclusione

Mitchell Hsing e Parker Gould, cofondatori di Inchfab

In quanto membro del programma Activate – Cyclotron Road presso il Berkeley National Lab, Inchfab collabora con i suoi partner per offrire soluzioni di fabbricazione innovative ed economiche alla comunità dei dispositivi su micro- e nanoscala. Inchfab si impegna costantemente a perfezionare e ampliare le proprie capacità di micro- e nanofabbricazione e cerca continuamente nuove tecnologie che possano aiutare in questo sforzo.

Scritto in collaborazione da Alicat; Mitchell Hsing, Ph.D., CEO e cofondatore di Inchfab; e Parker Gould, Ph.D., CTO e cofondatore di Inchfab