Miksi kaasun pinnalla kelluvat kiekot muuttuvat epätasaisiksi korkean lämpötilan epitaksiassa

Korkean lämpötilan epitaksiaprosesseissa käytettävät kelluvat kaasulevyt vakauttavat kiekkoja ja pitävät ne tuettuina tasaisen kaasuvirtauksen avulla. Tuotantoympäristössä käyttäjät voivat huomata, että ajan myötä nämä kiekot menettävät yhdensuuntaisuutensa. Vaikka pieni muutos voi olla merkityksetön kaasuvirtauksen tasaisuuden ja kiekkojen vakauden kannalta, kallistunut kiekko voi alkaa pienestä kulumisesta tai kertymisestä kiekon pinnalle ja voi pahentua ajan myötä. Tämä on ymmärrettävä, jotta vältetään seisokit ja tuotteen viat. Vuosien mittaan, tehtaan päivittäisen rutiinin aikana, pienet lämpötilan ja virtausolosuhteiden muutokset voivat nykyään siirtää kiekkoja pois linjauksesta.

Lämpömuodonmuutosmekanismit AMAT Centura5200 -kaasulla kelluvissa levyissä

Kaasua kelluttava levy menettää helposti tasaisuuttaan AMAT Centura5200 -järjestelmässä osittain lämmön vaikutuksesta. Korkeassa lämpötilassa Epitaksian kasvu , kiekkoa lämmitetään epätasaisesti reaktorikammiossa. Se vastaanottaa paljon enemmän säteilyä ja plasmaenergiaa ylhäältä, ja viileää kaasua virtaa alhaalta. Lämpötilaero johtaa materiaalin lämpöjännityksiin. Metallin tai päällystetyn pinnan toistuva sykli eri lämpötiloissa johtaa kiekkomateriaalin laajenemiseen ja supistumiseen. Vaikka jännitys kussakin lämpösyklissä voi olla suhteellisen pieni, kun sitä toistetaan satoja tai tuhansia kertoja, kertynyt jäännösjännitys alkaa kehittää lämpömuodonmuutosta. Jotkut alueet laajenevat ja venyvät enemmän kuin toiset ja johtavat kiekon lievään vääntymiseen. Tämä pieni kallistus voi häiritä kaasutyynyä, joka antaa kiekon kellua tasaisesti. Lämpömuodonmuutoksen voivat aiheuttaa myös lämpötilagradientit kiekon poikki. Toinen osa kiekosta voi olla lähellä lämmönlähdettä tai vastaanottaa hieman vähemmän jäähdytyskaasuvirtausta. Toinen osa venyy sitten enemmän kuin toinen. Tämä ongelma voi ilmetä huollon tai puhdistuksen jälkeen, koska kaasun virtausominaisuudet usein muuttuvat, ja on yleistä havaita epävakaa kiekon tasaantuminen edellä mainitun toimenpiteen jälkeen. Viruminen on myös ongelma. Korkea lämpötila aiheuttaa kiekkomateriaalin asteittaista muodonmuutosta jatkuvan kuormituksen alaisena. Tämä on hidas prosessi ilman äkillistä murtumista; se kuitenkin edustaa hidasta "jännityksen muistia". Joissakin tehtaissa on raportoitu, että levyssä on havaittu lievä kallistuma kuukausien käytön jälkeen ilman näkyviä vikoja. Havainnollistava esimerkki voidaan havaita ... Sic-epitaksi linja, kun kiekon paksuus oli epätasainen. Kammiossa olevan kaasukelluvan kiekon huolellinen tutkimus paljasti koveran kiekon. Perimmäiseksi syyksi analysoitiin korkean lämpötilan syklit ja epätasainen kaasun jäähdytysvirtaus. Kaasukelluvan kiekon vakaus liittyy ensisijaisesti hallittuun lämpötilajakaumaan, luotettavaan kaasun virtaukseen ja kiekkojen vaihtamiseen ennen merkittävän virumisen alkamista.

Miten CVD TaC -pinnoitteen tasaisuus vaikuttaa levyn tasaisuuteen ja vakauteen?

CVD TaC -pinnoitteita käytetään yleensä kaasukelluvissa kiekoissa, koska ne ovat hyvin kehittyneitä ja kestävät kuumuutta ja korroosiota kovissa epitaksiaalisissa olosuhteissa. Mutta edes kestävä tantaalikarbidipinnoitemateriaali ei voi välttää tasaisen pinnoitteen paksuuden kriittistä merkitystä kaasukelluvan kiekon tasaisuudelle ja vakaudelle käytön aikana. Kun pinnoitteen paksuus on täysin tasainen koko pinnalla, kiekko laajenee symmetrisesti korkeassa lämpötilassa ja kaasujen korkeassa paineessa, lämpö leviää tasaisesti kiekon yli pienemmällä sisäisellä jännityksellä. Samalla kiekon alla oleva kaasupehmuste voi muodostua tasaisemmin, mikä auttaa kiekon asennon pysymistä vakaana kasvun aikana. Ongelma ilmenee, kun pinnoitteen paksuudessa on eroja koko pinnalla. Hieman paksumman pinnoitteen omaava puoli lisää jäykkyyttä kyseisellä alueella ja reagoi eri tavalla korkeassa lämpötilassa. Se voi laajentua hitaasti tai jopa supistua suhteellisesti ohuempaan alueeseen verrattuna. Jatkuvan syklisen kuumennuksen seurauksena näiden erojen aiheuttama venymän kertyminen voi aiheuttaa sisäistä jännitystä ja johtaa alun perin täysin tasaisen kiekon pohjan lievään taipumiseen. Käytännön tuotannossa havaitsemme tämän ongelman epävakaana kellukkeen korkeutena tai kiekkojen keskipisteiden alkavan hieman siirtyä, vaikka kaikki muu näyttäisi täysin normaalilta. Tuotantoinsinööri voi havaita tämän, kun hän havaitsee, että kerrostetun kiekon keskipisteen ja reunan välinen paksuusvaihtelu kasvaa odottamatta, mutta kammiota tarkistaessaan hän voi huomata, että kelluvalla kiekolla on jo ei-kovin-ilmeinen "nostokuvio", joka yleensä liittyy pinnoitteen vaihteluun. Muistan yhden esimerkin tästä ongelmasta piikarbidin tuotantolinjalla. Kaasulla kelluva kiekko näyttää visuaalisesti hyvältä heti pinnoituksen jälkeen. Sitten se alkoi osoittaa lievää vääntymistä korkean lämpötilan käyttöajan jälkeen. Analyysissä havaitsimme useiden mikrometrien paksuuseron. Tämä pieni arvo oli vastuussa hieman taipuneesta levystä 1500 °C:n lämpötilassa. Prosesseissa vaaditaan kaasun virtausnopeuden, lämpötilaprofiilin ja levyn pyörimisen asianmukaista hallintaa pinnoituksen aikana. Pinnoitteen paksuutta mitataan rutiininomaisesti prosessiolosuhteiden varhaisen ajautumisen estämiseksi, ja pinnoitusprosessi kalibroidaan uudelleen.

AMAT-kaasukellukkeen korjausstandardit tarkkuusepitaksiaprosesseille

Tarkkuustyökalujen, kuten AMAT Centuran, epitaksialaitteissa käytettävät kaasulla kelluvat kiekot ovat välttämättömiä kiekon vakauttamiseksi korkean lämpötilan kasvun aikana. Kuluneiden, epämuodostuneiden tai epätasaisesti pinnoitettujen kiekkojen korjauksessa noudatetaan tiukkaa protokollaa. Kaikki korjausprosessin virheet vaikuttavat kaasutyynyn käyttäytymiseen ja siten kiekon laatuun. Välittömästi korjauksen jälkeen arvioitava seikka on pinnan tasaisuus. Korjauksen on täytettävä erittäin tiukat tasaisuustoleranssit, koska pienikin vääntymä voi vääristää kaasun virtauksen tasapainoa. Hiomisen tai kiillotuksen on varmistettava, että koko pinnalta poistetaan yhtä paljon materiaalia; epätasainen kiillotus on useimpien kiekon varhaisten rikkoutumisten syy. Pinnoitteen korjaus on myös herkkä asia. Useimmat kiekot on suojattu CVD TaC:lla ja vastaavilla kovilla pinnoitteilla. Uudelleenpinnoituksen yhteydessä on tärkeää varmistaa, että kerroksen paksuus on tasainen koko kiekon pinnalla. Epätasainen pinnoitteen paksuus aiheuttaa sen, että kyseinen osa reagoi eri tavalla kuumennettaessa ja voi vaikuttaa kallistumiseen tai epätasaiseen nousemiseen käytön aikana. Valmistajat ovat nähneet kiekkojen läpäisevän silmämääräisen tarkastuksen korjauksen jälkeen, mutta niiden kellumiskorkeus on epävakaa muutaman syklin jälkeen tämän vian vuoksi. Vaikka se vaikuttaa triviaaliselta, puhdistaminen ennen korjausta on kriittisen tärkeää. Poistamattomat epäpuhtaudet tai reaktiotuotteet pohja-alustalla vaarantavat uuden pinnoitteen eheyden. Yhdellä piikarbidiepitaksilinjalla korjattu kiekko toimitettiin takaisin tuotantoon, ja viikon kuluttua kiekossa näkyi tärinäjälkiä. Kiekon korjauksen jälkeisessä tarkastuksessa paljastui korjauspinnoitteen alle jäänyt jäännös, joka laajeni hitaasti lämpösyklien vuoksi. Korjauksen jälkeen kiekkoja usein käsitelään korotetuissa lämpötiloissa korjauksen aikana syntyneiden jännitysten lievittämiseksi. Käyttäjät valvovat kiekkoa tämän prosessin aikana havaitakseen varhaisia ​​merkkejä vääntymisestä tai epätasaisesta nousemisesta. On tärkeää paitsi korjata vaurio, myös palauttaa alkuperäinen tasapaino lämpöominaisuuksien, pinnan tasaisuuden ja kaasun virtauksen tasapainon välillä, jotta varmistetaan, että korjattu kiekko toimii kuin uusi tuotannon aikana.

Lämmön jakautumisen ja kiekkojen levitaatiovakauden välinen suhde

Epitaksian aikana kiekkoa tasoittavan kaasun virtauksen aikana lämmön tasainen jakautuminen kiekon ja kammion yli on avainasemassa. Jos lämpö jakautuu tasaisesti, sen alla oleva kaasukalvo on yhtenäinen ja kiekko pysyy tasapainossa. Epätasainen kuumennus alkaa häiritä herkkää tasapainoa. Todellisen AMAT Centura -tyyppisen prosessin aikana kiekon keskusta on paljon kuumempi kuin reunat. Syynä tähän on se, että lämmitin itsessään ei tuota täysin yhtenäistä lämpökarttaa kiekon pinnalle, ja kaasun takapuolen jäähdytys ei välttämättä ole tasaista. Kun kiekko kuumenee yhdessä kohdassa, se laajenee enemmän kyseisessä kohdassa, mikä muuttaa hieman alla olevan kaasun virtauskuviota. Kun kaasun virtaus muuttuu, kiekon leijuntakorkeus muuttuu. Kiekon toinen puoli leijuu hieman korkeammalla kuin toinen. Vaikka tämä ei aina ole näkyvissä paljaalla silmällä, prosessityökalu voi tulkita tämän pieneksi liikkeeksi tai värähtelyksi kasvuprosessin aikana. Helpoin tapa visualisoida tämä on kuvitella hyvin ohut ilmakiekkopallo, mutta pelipinnan toinen puoli on hieman lämpimämpi; Kiekko kelluisi edelleen, mutta ajelehtisi tai kallistuisi pinnan viileämpää puolta kohti. Samanlainen konsepti pätee kasvatuskammioon. Varsinaisen tuotannon aikana tämä näkyy kiekkojen reunojen ja keskipisteiden välisinä paksuusvaihteluina ja/tai pieninä linjauksen muutoksina pitkien ajojen jälkeen. Yksi valmistustiimi oli kokenut hieman epävakaata epitaksiaalista kasvua huollon jälkeen ja havaitsi tarkastuksen yhteydessä, että kammion lämmitysprofiiliin oli tehty muutos; he siirsivät kuumaa vyöhykettä hieman, mikä esti kiekkoa tasaavaa kaasua toimimasta odotetulla tavalla epätasaisen lämmön vuoksi.

Levitoivaa kiekkoa liikuttavan laitteen käyttäjän on yleensä kiinnitettävä huomiota kolmeen pääasiaan: lämmityselementtien yhteensopiviin profiileihin, tasaiseen kaasun virtaukseen takaosassa sekä kammion O-renkaan ja kiekon pinnan kulumisen muutoksiin.

Kaasulla kelluvan levyn suunnittelun optimointi pitkäaikaisen lämpöluotettavuuden saavuttamiseksi

Kaasulla kelluvan kiekon suunnittelu epitaksian useiden syklien käyttöön liittyy pääasiassa lämpöominaisuuksiin. Sen ei tarvitse ainoastaan ​​toimia korkeissa lämpötiloissa, vaan sen on toimittava myös satojen–tuhansien ajojen jälkeen ilman, että se hitaasti menettää tasomaisuuttaan. Materiaalin valinta on tässä ratkaisevan tärkeää. Alustamateriaalin on kyettävä läpikäymään lämpösyklejä ilman, että se aiheuttaa suurta jännitysprofiilia ajan myötä. Jännitykset kasaantuvat, jos materiaalilla on suuret kertoimet ja se käy läpi nopeita lämpösyklejä. Alustan lämpölaajenemisen on myös oltava hyvin sovitettu pintakerrokseen. Valmistusympäristössä pienetkin materiaalien väliset lämpötilaerot kasaantuvat ajan myötä ja kiekko vääntyy, vaikka se aluksi saattaa näyttää hyvältä. Pinnoitteen suunnittelu on yhtä lailla ratkaisevan tärkeää. Tasainen CVD TaC -pinnoite kiekon poikki auttaa sitä absorboimaan lämpöä tasaisesti pinnaltaan. Jos pinnoitteen paksuus vaihtelee, sillä on erilaiset lämpöreaktionopeudet pinnalla, mikä aiheuttaa lämpöjännitystä, joka vääntää kiekkoa ajan myötä. Uskotaan, että joissakin tuotantotiimeissä tätä voi tapahtua pitkien sarjojen aikana, kun kiekot siirtyvät hitaasti tasaisesta kupumaiseksi. Myös geometriset ominaisuudet ovat erittäin tärkeitä. Reiän kuvion, reunan paksuuden, tukialueiden ja muiden ominaisuuksien poikkeamat voivat muuttaa kaasun virtauksen käyttäytymistä kiekon alla. Epätasainen virtaus voi aiheuttaa kiekon epätasaisen nousun prosessiolosuhteissa, mikä aiheuttaa ylimääräisiä jännityksiä lämpösyklin aikana ja kiihdyttää kulumista. Esimerkki parannetusta rakenteesta lämpöjännityksen alaisena havaittiin piikarbidiepitaksian linjalla; ennen siirtymistä päivitettyyn kiekkorakenteeseen niillä oli merkittävää tasausliikkumaa pitkien sarjojen jälkeen. Kun vaihdettiin optimoiduilla virtauskanavilla varustettuun kiekkoon, liikkuma väheni, koska kiekon nostoprofiili säilyi tarkemmin koko käytön ajan, kuten sekä alkuperäisten että päivitettyjen kiekkojen pitkäaikaiset huoltotarkastukset vahvistivat. Lämpöluotettavuus riippuu myös jäähdytysominaisuuksista. Jos kiekko ei jäähdy tasaisesti, se voi "lukkiutua" jännitykseen ja aiheuttaa siten lisää heikkenemistä syklin aikana. Pohjimmiltaan pitkäaikainen tasaisuus saavutetaan saavuttamalla tasapaino materiaalin ja pinnoitteen suorituskyvyn sekä suunnitellun kaasun virtauksen välillä kiekon läpi.