사례 연구: PBN 도가니가 박막 증착을 개선한 방법

소개

첨단 반도체 제조에서 재료 순도는 타협할 수 없는 문제입니다. 5nm 미만의 노드를 지원하는 미국의 한 진공 장비 공급업체는 박막 증착 중 미량의 오염으로 인해 웨이퍼 수율이 최대 3%까지 낮아지는 반복적인 문제에 직면했습니다.

주로 알루미나 또는 흑연 기반 증발 보트 및 도가니와 같은 기존 구성품은 초고진공 및 고온에서 미세한 불순물을 침출하고 있었습니다. SAM은 엔지니어링 팀과 긴밀히 협력하여 이러한 부품을 초순도 열분해 질화붕소(PBN) 로 대체했습니다. 그 결과 필름 균일도가 개선되고 수율 손실이 줄어들었으며 수백만 달러의 비용을 절감할 수 있었습니다.

배경

이 고객은 5nm 및 5nm 미만 반도체 공정에 사용되는 MBE(분자 빔 에피택시) 및 MOCVD(금속-유기 화학 기상 증착) 시스템용 핵심 하드웨어를 생산합니다.

AI 및 모바일용 고성능 칩을 공급하는 주요 팹의 고객들은 모든 단계에서 공정 오염 제로화를 요구합니다. 이 회사의 기존 도가니와 라이너 부품은 기술적으로 고온에 적합하지만 1600°C 이상의 온도와 10^-6 Pa 진공에서 작동하는 동안 미미한 오염 물질이 유입되었습니다.

일상적인 QA에서는 감지할 수 없는 이 오염은 최종 웨이퍼 테스트에서만 도핑 불일치와 필름 불안정성을 야기했습니다.

문제 개요

주요 문제는 고열과 진공 상태에서 미량의 불순물이 방출되는 것이었습니다:

• 알루미나 및 흑연 도가니는 금속 이온과 탄소 기반 잔류물을 챔버로 방출했습니다.

• 이러한 부산물은 GaAs 및 SiC 웨이퍼의 도핑 이상을 초래했습니다.

• 결과: ~3%의 수율 감소, 스크랩 비용 증가, 다운스트림 신뢰성 문제 발생

팹에는 다음과 같은 구성 요소가 필요했습니다:

• 매우 낮은 가스 방출

• 높은 열 충격 저항성

• III-V 또는 와이드 밴드갭 재료와의 화학적 상호 작용 없음

• 1600°C 이상의 치수 안정성

재료 비교

권장 솔루션

SAM은 고객의 기존 산화물 및 탄소 기반 부품을 대체하기 위해 맞춤형 PBN 도가니와 내부 라이너를 공급했습니다. 이러한 부품은 화학 기상 증착(CVD)을 통해 제작되었습니다:

• 완전히 비다공성이며 밀폐된 표면

• 입자 경계가 없음(입자 흘림 없음)

• 99.999% 이상의 고순도

• 진공 및 불활성 가스 환경에서 최대 1800°C까지 안정적인 성능 제공

구성 요소 형태 포함

• 고온 증발 소스용 PBN 도가니

• MOCVD 및 MBE 챔버에 사용되는 PBN 튜브 라이너

SAM의 재료 엔지니어인 Lisa Ross는 다음과 같이 설명합니다:

"PBN의 구조는 본질적으로 다릅니다. 증착 과정에서 분자 단위로 만들어지기 때문에 소결 세라믹과는 비교할 수 없는 수준의 순도와 무결성을 제공합니다."라고 설명합니다.

결과

수율 및 공정 안정성

• 필름 두께 균일성이 ±3%에서 ±1.5%로 개선됨

• XPS(X-선 광전자 분광법)로 검출된 오염이 크게 감소했습니다.

  • Al₂O₃: 0.1% 잔류 불순물

  • PBN: ≤0.01% 검출

비용 영향

• 스크랩 감소로 팹에서 연간 270만 달러 이상 절감

• 유지보수 간격 연장(플레이크 또는 입자 청소 불필요)

• 빠른 램프/침지 사이클에서 안정성에 대한 운영자의 신뢰도 증가

시장의 도전 과제

PBN의 성능 이점은 분명하지만, 비용에 민감한 분야에서는 여전히 도입에 대한 저항에 부딪힙니다:

• PBN 부품은 동급 알루미나 또는 흑연보다 4~5배 더 비쌉니다.

• 조달 팀은 종종 단기적인 비용 절감과 장기적인 안정성을 비교합니다.

이러한 변화는 공급망 전반에 걸쳐 논의를 촉발시켰습니다: 중요 순도 애플리케이션은 초기 부품 비용보다 수명 기간 동안의 ROI를 우선시해야 할까요? SAM의 데이터 기반 지원은 고객이 내부적으로 이러한 사례를 구축하는 데 도움이 되었습니다.

결론

반도체 제조를 위한 진공 증착에서는 재료 뒤에 있는 재료가 중요합니다. 하위 구성 요소의 미량 불순물조차도 최신 웨이퍼 생산에 필요한 정밀도를 떨어뜨릴 수 있습니다.

PBN 도가니와 라이너로 전환함으로써 고객은 웨이퍼 수율과 박막 균일성을 개선했을 뿐만 아니라 5nm 규모에서 깨끗한 공정 하드웨어의 기준에 대한 기준을 높이는 데 기여했습니다.

스탠포드 어드밴스드 머티리얼즈는 업계에서 가장 엄격한 순도, 열 및 치수 요건을 충족하는 고성능 세라믹을 공급하는 데 계속해서 앞장서고 있습니다.

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