Inchfab utilise la régulation du débit massique et de la pression dans des systèmes de fabrication à l’échelle nanométrique

Contexte : les systèmes de fabrication à l’échelle nanométrique et Inchfab

Contexte : les systèmes de fabrication à l’échelle nanométrique et Inchfab

Figure 1. Prototype du système ICP-CVD d’Inchfab

La demande croissante de puissance de calcul depuis plus de 60 ans a entraîné une augmentation exponentielle de la complexité des composants comme des volumes de production. Pour répondre à cette demande, les dernières avancées de la technologie de micro- et nanofabrication sont devenues indissociables de substrats de taille toujours plus grande. Cela a donné lieu à certains des exploits d’ingénierie les plus impressionnants de l’histoire.

Sans surprise, accomplir de tels exploits n’a été ni bon marché ni facile. Le coût d’investissement des installations modernes de fabrication à l’échelle nanométrique (« fabs ») se chiffre désormais couramment en milliards de dollars américains et exige des contrôles de procédé stricts qui limitent sévèrement les types de composants qu’une seule fab peut produire. Le coût élevé et la flexibilité minimale de la fabrication à l’échelle nanométrique sont devenus un obstacle majeur, sur de nombreux marchés, pour les groupes qui cherchent à développer des composants innovants.

La plateforme novatrice d’Inchfab, faite d’outils de fabrication très performants à très faible coût, fait tomber cet obstacle en dissociant les capacités de traitement avancées des grandes tailles de substrat. En renonçant aux substrats de 150 – 300 mm (≈ 1 pied) de diamètre couramment utilisés aujourd’hui en production à grand volume, le coût d’investissement et l’encombrement des outils et des installations nécessaires à la fabrication à l’échelle nanométrique peuvent être réduits de plusieurs ordres de grandeur, ce qui en augmente radicalement l’accessibilité. En outre, Inchfab a démontré que l’utilisation de substrats plus petits peut aussi conduire à des gains de performance par rapport aux outils commerciaux existants. Voir leur prototype de système ICP‑CVD à la figure 1.

Défi 1 : une régulation du débit massique répétable et uniforme

Deux des caractéristiques les plus importantes exigées des systèmes de micro- et nanofabrication sont la répétabilité d’une série à l’autre et l’uniformité spatiale. Atteindre des niveaux élevés de répétabilité et d’uniformité repose sur la capacité à maîtriser de nombreuses entrées de procédé et conditions environnementales. Parmi les plus importantes figurent les débits massiques et les pressions de procédé.

Solution : la régulation du débit massique par pression différentielle laminaire

Figure 2. Schéma fonctionnel montrant comment les régulateurs Alicat sont utilisés dans le système ICP‑CVD d’Inchfab.

Inchfab avait besoin d’une solution de débit massique abordable, avec des temps de réponse rapides, de larges plages de fonctionnement et aucun temps de préchauffage. L’entreprise a fini par choisir des régulateurs de débit massique (MFC) Alicat, principalement pour les avantages liés à leur principe de fonctionnement par pression différentielle laminaire. Ces régulateurs ont fourni à Inchfab des mesures de haute précision jusqu’à 0,6 % de la lecture, des temps de réponse de 30 ms, une plage de régulation de 0,01 à 100 % de la pleine échelle et aucun temps de préchauffage. La figure 2 montre comment les MFC Alicat sont raccordés dans le système ICP-CVD d’Inchfab.

Défi 2 : des profils de température de substrat répétables et uniformes

Tout comme des débits massiques fiables, des profils de température de substrat répétables et uniformes sont aussi essentiels pour des profils de dépôt et de gravure constants et uniformes. Par exemple, dans la gravure par plasma, l’excès de chaleur du substrat est généré en grande partie par le bombardement de particules énergétiques produites dans la décharge de plasma et par des réactions chimiques exothermiques à la surface du substrat. Pour la gravure du silicium à base de fluor, lorsque la température du substrat augmente, la vitesse de gravure diminue et les matériaux de masquage couramment utilisés, comme la résine photosensible, peuvent commencer à s’éroder, ce qui réduit la sélectivité. Pour contrer cet échauffement, des échangeurs de chaleur évacuent la chaleur du substrat. Comme les substrats traités peuvent présenter des motifs délicats sur leur face arrière, un contact thermique direct avec l’ensemble mandrin n’est pas recommandé. Une solution efficace consiste donc à introduire une couche de gaz conducteur de chaleur entre le substrat et le mandrin.

Solution : la régulation de pression de vide intégrée

Figure 3. Régulateur de pression Alicat de la série IVC avec collecteur supplémentaire pour le transfert de chaleur du substrat

Pour améliorer le transfert de chaleur entre les ensembles mandrin et les substrats traités, Inchfab a utilisé un régulateur de pression Alicat de la série IVC (voir la figure 3). Ce régulateur de pression maintenait des pressions de gaz inférieures à la pression atmosphérique (généralement 5 – 20 torr, selon le procédé) sur la face arrière du substrat, ce qui réduisait au minimum le temps nécessaire pour atteindre l’équilibre thermique avec l’ensemble mandrin et maintenait cet équilibre tout au long du traitement.

Le capteur de vide du régulateur de pression IVC fournissait une mesure de pression précise, indépendante du gaz, dans la couche substrat-mandrin, avec la possibilité d’être acheminé indépendamment de la sortie du fluide. Inchfab a pu remplacer un régulateur plus coûteux par cet appareil et supprimer plusieurs éléments de matériel de régulation superflus grâce à une interface numérique commune entre l’IVC et les MFC. L’entreprise a aussi pu utiliser le protocole de communication numérique Alicat standard, intuitif, ce qui rend très simple la surveillance de la pression et la mise à jour des consignes chaque fois que nécessaire. La figure 2 montre comment l’IVC (repéré « Alicat conductor ») est intégré au système ICP‑CVD d’Inchfab.

Conclusion

Mitchell Hsing et Parker Gould, cofondateurs d’Inchfab

En tant que membre du programme Activate – Cyclotron Road du Berkeley National Lab, Inchfab travaille avec ses partenaires pour proposer des solutions de fabrication innovantes et économiques à la communauté des composants à l’échelle micro- et nanométrique. Inchfab s’efforce continuellement d’affiner et d’élargir ses capacités de micro- et de nanofabrication et recherche en permanence de nouvelles technologies susceptibles de l’aider dans cette démarche.

Rédigé conjointement par Alicat ; Mitchell Hsing, Ph.D., PDG et cofondateur d’Inchfab ; et Parker Gould, Ph.D., directeur technique et cofondateur d’Inchfab