作者：Ben Olechnowicz | Swagelok Company 產品經理
本文參考由 Swagelok Company 首席科學家 William H. Glime 撰寫之白皮書。
隨著當今半導體產業的創新與演進速度不斷加快，精準度不僅只是期待，更是效能、可靠度與競爭優勢的根基。當元件尺寸持續縮小且結構變得更為複雜，唯有原子層沉積（ALD）與原子層蝕刻（ALE）能在原子尺度上提供薄膜與結構的精準控制。然而，要在數以百萬計的製程循環中維持化學劑量的一致性，始終是一項挑戰。
這項挑戰的核心在於 ALD／ALE 製程閥。這些專用閥門需以脈衝方式輸送化學劑量，而任何反應時間的差異，即便只是毫秒之差，都可能因劑量偏差而影響產線效能與生產良率。
正時的重要性
ALD／ALE 劑量的一般關係式為：劑量（Dose Volume）= 流量（Flow）× 時間（Time）。雖然流量是其中一個影響因素，但閥門保持開啟的時間（常以毫秒計）通常是主導因素。僅 3 毫秒的反應時間變動即可造成約 6% 的化學劑量改變（見下圖）。在大量生產的情況下，這類時間控制的不一致不僅會影響到單一晶圓，而是會影響整體的良率與可靠度。
氣動系統：精準度背後的驅動引擎
ALD／ALE 製程閥的運作核心在於氣動式致動系統。此類系統通常以氮氣等壓縮氣體致動閥門，追求高速且可重複的反應。其效能受多項因素影響：
- 先導閥（pilot valve）表現：電磁導控閥負責控制氣動致動器（pneumatic actuator）的進排氣，其反應時間與流量能力會直接影響製程閥的致動速度與一致性。
- 系統壓力：較高的氣動壓力能提升開啟速度，但也可能因排氣所需時間較長而使閥門關閉速度變慢。需在開關時間之間取得平衡點，以優化劑量準確度。
- 管路與孔道：元件之間的管徑與長度會影響氣流與反應時間。一般而言，較大內徑與較短管長有助於提升效能，但過大的腔體體積亦可能導致延遲。
- 致動器設計：內部孔道、彈簧力、活塞面積與摩擦等因素皆會影響致動速度。精密的製造公差與組裝品質是減少變異的關鍵。
- 系統溫度：當氣動致動器在較高溫度下運作時，其速度通常比在室溫運作時更快，原因在於氣體膨脹與較佳的排氣效率。
系統與系統之間的差異——例如管長、壓力調節或導控閥特性——都可能導致劑量正時不一致。下表 1 對上述差異加以量化，顯示即使在設計良好的系統中，也可能出現超過 2 毫秒以上的不一致；甚至在優化程度較低的設定下，潛在差異可能達約 5 毫秒。
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影響因素 |
變異（系統之間） |
致動反應時間變化 |
預估製程脈衝寬度（化學劑量）變化 |
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導控閥反應時間 |
±0.4 至 ±1 毫秒 |
±0.4 至 ±1 毫秒 |
0.4 至 2 毫秒 |
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導控閥流量一致性（不同導控閥之間） |
普遍情況下約±10% |
±0.2 至 ±0.5 毫秒 |
0.4 至 1 毫秒，假設充填與排氣階段的流量受到相反方向的影響 |
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製程閥致動器空氣體積 |
±5 至 20% |
±0.3 至 ±1 毫秒 |
可忽略（同時影響開啟與關閉時間，幅度相近） |
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導控閥入口的氣動壓力 |
0.05 至 0.1 毫秒／psi |
0.1 至 0.5 毫秒 |
0.2 至 1 毫秒 |
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導控閥至致動器之間的管線長度 |
0.05 至 0.1 毫秒／cm |
0 至 0.5 毫秒 |
可忽略（同時影響開啟與關閉時間，幅度相近） |
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製程致動器的換向壓力 |
2 至 5 大氣壓 |
0.2 至 0.5 毫秒 |
0.4 至 1 毫秒 |
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製程致動器溫度 |
0.01 毫秒／°C |
0.1毫秒（±10°C環境下） |
可忽略（同時影響開啟與關閉時間，幅度相近） |
表 1：ALD／ALE 閥門反應時間與劑量脈衝寬度不一致之影響因素與結果
透過選用合適的高效能製程閥，並配合周全的氣動系統設計與維護，可消除上述不一致的影響因素，進而提升 ALD／ALE 製程一致性、提高良率，並滿足現今與次世代半導體製程的嚴苛要求。
從一致性出發的工程設計理念
要達到一致的 ALD／ALE 表現，不僅需要高品質元件，更需要整體性的系統設計思維，包含：
- 在設備與系統間標準化氣動配置
- 為導控閥與致動器制定嚴格公差
- 儘量縮短管長並最佳化管徑
- 控制環境因子，例如溫度與壓力穩定度
藉由系統性處理上述變因，製造商可降低劑量變異、提升良率，並滿足半導體的先進製程節點對一致性的嚴格需求。
未來發展
隨著產業進展至更小節點與更複雜的架構，ALD／ALE 製程一致性的重要性只會持續升高。憑藉正確的工具與專業，製造商能在大規模量產中仍維持優異精準度，這將有助於業界開啟晶片設計的新篇章。
Swagelok 持續提供高效能的 ALD／ALE 閥門與專業技術支援，協助半導體製造商邁向下個階段的研發與創新。透過先進閥門技術結合最佳化的氣動系統，可實現次世代裝置所需的高品質與高重複性。針對上述相關的劑量輸送閥件選擇或系統優化，如需進一步協助，歡迎聯繫 Swagelok。