Inchfab utiliza el control de caudal másico y de presión en sistemas de fabricación a escala nanométrica

Contexto: los sistemas de fabricación a escala nanométrica e Inchfab

Contexto: los sistemas de fabricación a escala nanométrica e Inchfab

Figura 1. Prototipo del sistema ICP-CVD de Inchfab

La creciente demanda de potencia de cálculo en los últimos más de 60 años ha provocado aumentos exponenciales tanto de la complejidad de los dispositivos como de los volúmenes de producción. Para satisfacer esta demanda, los últimos avances en la tecnología de microfabricación y nanofabricación se han acoplado de forma inextricable a sustratos de tamaño cada vez mayor. Esto ha dado lugar a algunas de las hazañas de ingeniería más impresionantes de la historia.

Como es lógico, lograr tales hazañas no ha sido ni barato ni fácil. El coste de capital de las instalaciones modernas de fabricación a escala nanométrica («fabs») supera ya de forma rutinaria los miles de millones de dólares estadounidenses y exige controles de proceso estrictos que limitan gravemente los tipos de dispositivos que puede crear una sola fab. El elevado coste y la mínima flexibilidad de la fabricación a escala nanométrica se han convertido en una barrera importante en muchos mercados para los grupos que buscan desarrollar dispositivos innovadores.

La novedosa plataforma de Inchfab, de herramientas de fabricación de coste ultrabajo y alto rendimiento, está derribando esa barrera al desacoplar las capacidades de procesamiento avanzadas de los sustratos de gran tamaño. Al alejarse de los sustratos de 150 – 300 mm (≈1 pie) de diámetro que se utilizan habitualmente hoy en la producción de gran volumen, el coste de capital y la huella física de las herramientas e instalaciones necesarias para la fabricación a escala nanométrica pueden reducirse en órdenes de magnitud, aumentando radicalmente su accesibilidad. Además, Inchfab ha demostrado que el uso de sustratos más pequeños también puede mejorar el rendimiento frente a las herramientas comerciales existentes. Vea su prototipo de sistema ICP‑CVD en la figura 1.

Reto 1: control de caudal másico repetible y uniforme

Dos de las características más importantes que se exigen a los sistemas de microfabricación y nanofabricación son la repetibilidad entre ciclos y la uniformidad espacial. Lograr altos niveles de repetibilidad y uniformidad depende de la capacidad de controlar muchas entradas de proceso y condiciones ambientales diferentes. Entre las más importantes están los caudales másicos y las presiones de proceso.

Solución: control de caudal másico por presión diferencial laminar

Figura 2. Diagrama de bloques que muestra cómo se utilizan los controladores de Alicat en el sistema ICP‑CVD de Inchfab.

Inchfab necesitaba una solución de caudal másico asequible, con tiempos de respuesta rápidos, rangos de funcionamiento amplios y sin tiempos de calentamiento. Acabaron eligiendo los controladores de caudal másico (MFC) de Alicat, principalmente por las ventajas derivadas de su principio de funcionamiento basado en la presión diferencial laminar. Estos controladores proporcionaron a Inchfab mediciones de alta exactitud, hasta el 0,6 % de la lectura, tiempos de respuesta de 30 ms, un rango de control del 0,01 al 100 % del fondo de escala y ningún tiempo de calentamiento. La figura 2 muestra cómo se conectan los MFC de Alicat en el sistema ICP-CVD de Inchfab.

Reto 2: perfiles de temperatura del sustrato repetibles y uniformes

Al igual que unos caudales másicos fiables, unos perfiles de temperatura del sustrato repetibles y uniformes también son esenciales para obtener perfiles de deposición y de grabado constantes y uniformes. Por ejemplo, en el grabado por plasma, el exceso de calor del sustrato se genera en gran parte por el bombardeo de partículas energéticas generadas en la descarga de plasma y por las reacciones químicas exotérmicas en la superficie del sustrato. En el grabado de silicio con flúor, a medida que aumenta la temperatura del sustrato, la velocidad de grabado disminuye y los materiales de enmascaramiento de uso común, como la fotorresina, pueden empezar a erosionarse, lo que reduce la selectividad. Para contrarrestar este calentamiento se utilizan intercambiadores de calor que conducen el calor lejos del sustrato. Como los sustratos que se procesan pueden tener características delicadas en su cara posterior, no es aconsejable el contacto térmico directo con el conjunto del portasustratos (chuck). Por ello, una solución eficaz es introducir una capa de gas conductor del calor entre el sustrato y el portasustratos.

Solución: control integrado de la presión de vacío

Figura 3. Controlador de presión IVC‑Series de Alicat con colector adicional para la transferencia de calor al sustrato

Para mejorar la transferencia de calor entre los conjuntos del portasustratos y los sustratos que se procesan, Inchfab utilizó un controlador de presión IVC‑Series de Alicat (véase la figura 3). Este controlador de presión mantenía presiones de gas subatmosféricas (normalmente de 5 – 20 torr, según el proceso) en la cara posterior del sustrato, minimizando el tiempo necesario para alcanzar el equilibrio térmico con el conjunto del portasustratos y manteniendo el equilibrio durante todo el procesamiento.

El sensor de vacío del controlador de presión IVC proporcionó una medición de presión precisa e independiente del gas en la capa entre el sustrato y el portasustratos, con la posibilidad de enrutarse de forma independiente de la salida del fluido. Inchfab pudo sustituir un controlador más caro por este dispositivo y eliminó varios elementos adicionales de hardware de control gracias a una interfaz digital común entre el IVC y los MFC. También pudieron utilizar el protocolo de comunicaciones digitales estándar e intuitivo de Alicat, lo que hace muy sencillo supervisar la presión y actualizar las consignas siempre que se necesite. La figura 2 muestra cómo se integra el IVC (rotulado como Alicat conductor) en el sistema ICP‑CVD de Inchfab.

Conclusión

Mitchell Hsing y Parker Gould, cofundadores de Inchfab

Como miembro del programa Activate – Cyclotron Road del Laboratorio Nacional de Berkeley, Inchfab trabaja con sus socios para ofrecer soluciones de fabricación innovadoras y económicas a la comunidad de dispositivos de micro y nanoescala. Inchfab se esfuerza continuamente por perfeccionar y ampliar sus capacidades de microfabricación y nanofabricación y busca constantemente nuevas tecnologías que puedan ayudar en ese esfuerzo.

Redactado conjuntamente por Alicat; Mitchell Hsing, doctor, CEO y cofundador de Inchfab; y Parker Gould, doctor, CTO y cofundador de Inchfab