Prečo sa plynové plávajúce disky stávajú nerovnomernými pri vysokoteplotnej epitaxii

Plávajúce plynové disky používané pri vysokoteplotných epitaxných procesoch poskytujú stabilitu doštičkám a udržiavajú ich podopreté rovnomerným prúdením plynu. Vo výrobnom prostredí si operátori môžu všimnúť, že tieto disky časom strácajú svoju rovnobežnosť. Hoci malá zmena môže byť zanedbateľná pre rovnomernosť prúdenia plynu a stabilitu doštičiek, naklonený disk môže vzniknúť z malého opotrebenia alebo nahromadenia na povrchu disku a časom sa môže zhoršovať. Toto je potrebné pochopiť, aby sa predišlo prestojom a poruchám produktu. V priebehu rokov, pri každodennej prevádzke vo výrobe, môže malá zmena teploty a podmienok prúdenia spôsobiť, že disky dnes nie sú zarovnané.

Mechanizmy tepelnej deformácie v plynových plávajúcich diskoch AMAT Centura5200

Plynový plávajúci disk má v systéme AMAT Centura5200 sklon k strate rovinnosti, čiastočne v dôsledku tepla. Počas vysokej teploty Rast epitaxie Disk sa v reaktorovej komore zahrieva nerovnomerne. Zhora prijíma oveľa viac žiarenia a plazmovej energie a zospodu prúdi chladný plyn. Teplotný rozdiel vedie k tepelnému napätiu v materiáli. Opakované cyklovanie kovu alebo potiahnutého povrchu s rôznymi teplotami vedie k rozťahovaniu a sťahovaniu materiálu disku. Hoci napätie v každom tepelnom cykle môže byť relatívne malé, pri opakovanom vykonávaní stovky alebo tisíce krát sa nahromadené zvyškové napätie začína vyvíjať tepelná deformácia. Niektoré oblasti sa rozťahujú a naťahujú viac ako iné a vedú k miernemu zdeformovaniu disku. Toto mierne naklonenie môže narušiť plynový vankúš, ktorý umožňuje disku rovnomerné vznášanie sa. Tepelná deformácia môže byť tiež vyvolaná teplotnými gradientmi na disku. Jedna časť disku môže byť blízko zdroja tepla alebo dostávať o niečo menší prietok chladiaceho plynu. Jedna časť sa potom naťahuje viac ako druhá. Tento problém môže vzniknúť po údržbe alebo čistení, pretože charakteristiky prúdenia plynu sa často menia a po vyššie uvedenej operácii je bežné pozorovať nestabilné vyrovnávanie disku. Problémom je aj tečenie. Vysoká teplota spôsobuje postupnú deformáciu materiálu disku pri trvalom zaťažení. Ide o pomalý proces bez náhleho zlomenia; predstavuje však pomalú „pamäť napätia“. V niektorých továrňach bolo hlásené, že po mesiacoch prevádzky sa na disku zistil mierny sklon bez zjavných defektov. Ilustratívny príklad možno pozorovať z... Sic epitaxia čiara, keď doštička vykazovala nerovnomernú hrúbku. Starostlivé preskúmanie plynového plávajúceho disku v komore odhalilo konkávny disk. Analyzovala sa, že hlavnou príčinou sú cykly vysokých teplôt a nerovnomerný spätný tok chladiaceho plynu. Stabilita plynového plávajúceho disku je primárne spojená s kontrolovaným rozložením teploty, spoľahlivým prúdením plynu a výmenou diskov predtým, ako sa začne výrazné tečenie.

Ako jednotnosť CVD TaC povlaku ovplyvňuje rovinnosť a stabilitu disku?

CVD TaC povlaky sa zvyčajne používajú pre plynové plávajúce disky, pretože sú dobre vyvinuté a majú vysoký výkon pri odolávaní teplu a korózii v prostredí tvrdej epitaxie. Ani húževnatý povlakový materiál z karbidu tantalu sa však nemôže vyhnúť kritickému významu rovnomernej hrúbky povlaku pre rovinnosť a stabilitu počas prevádzky plynového plávajúceho disku. Keď je hrúbka povlaku dokonale rovnomerná na celom povrchu, disk sa pri vysokej teplote a vysokom tlaku plynov symetricky roztiahne, teplo sa rovnomerne rozloží po disku s menším vnútorným napätím. Zároveň sa plynový vankúš pod diskom môže vytvoriť rovnomernejšie, čo pomáha udržiavať stabilnú polohu doštičky počas rastu. Problém nastáva, keď je rozdiel v hrúbke povlaku na celom povrchu. Jedna strana, ktorá má o niečo hrubšiu časť povlaku, dodáva tejto oblasti dodatočnú tuhosť a pri vysokej teplote bude reagovať odlišne, môže sa rozťahovať pomalšie alebo dokonca relatívne sťahovať v porovnaní s tenšou oblasťou. V dôsledku neustáleho cyklického ohrevu môže akumulácia napätia spôsobená týmito rozdielmi generovať vnútorné napätie a viesť k miernemu ohnutiu základne disku, ktorá bola pôvodne dokonale plochá. V skutočnej výrobe pozorujeme tento problém ako nestabilnú výšku plávajúceho disku alebo mierne posunutie stredov doštičiek, aj keď sa všetko ostatné zdá byť úplne normálne. Výrobný inžinier to môže zistiť, keď spozoruje, že odchýlka hrúbky od stredu k okraju naneseného doštičky sa neočakávane zvýšila, no pri kontrole komory si môže uvedomiť, že plávajúci disk už má nie veľmi zrejmý „vzor zdvihu“, ktorý zvyčajne súvisí s odchýlkou ​​povlaku. Spomínam si na jeden príklad tohto problému na výrobnej linke SiC. Plynový plávajúci disk vyzerá vizuálne dobre hneď po povlakovaní. Potom sa po určitom období prevádzky pri vysokej teplote začal mierne deformovať. Analýzou sme zistili, že v skutočnosti vykazuje rozdiel v hrúbke niekoľko mikrometrov, pričom táto malá hodnota bola zodpovedná za mierne ohnutý disk pracujúci pri teplote 1500 °C. V procesoch je potrebná správna kontrola prietoku plynu, teplotného profilu a rotácie disku počas nanášania povlaku, pričom hrúbka povlaku sa pravidelne meria, aby sa zabránilo skorému posunu procesných podmienok, a proces nanášania povlaku sa prekalibruje.

Normy AMAT na opravu plynových plavákových kotúčov pre procesy presnej epitaxie

Plynové plávajúce disky v epitaxných zariadeniach pre presné nástroje, ako je AMAT Centura, sú nevyhnutné na stabilizáciu doštičky počas rastu pri vysokej teplote. Pri oprave opotrebovaných, deformovaných alebo nerovnomerne potiahnutých diskov existuje prísny protokol. Akékoľvek chyby v procese opravy ovplyvnia správanie plynového vankúša a tým aj kvalitu doštičky. Najbezprostrednejším aspektom hodnoteným po oprave je rovinnosť povrchu. Oprava musí spĺňať veľmi prísne tolerancie rovinnosti, pretože aj malé množstvo deformácie môže narušiť rovnováhu prúdenia plynu. Akékoľvek brúsenie alebo leštenie musí zabezpečiť, aby sa z celého povrchu odstránilo rovnaké množstvo materiálu; nerovnomerné leštenie je príčinou väčšiny skorých porúch diskov. Oprava povlaku je tiež citlivou záležitosťou. Väčšina diskov je chránená CVD TaC a podobnými tvrdými povlakmi. Pri opätovnom povlakovaní je dôležité zabezpečiť, aby hrúbka vrstvy bola rovnomerná po celom povrchu disku. Nerovnomerná hrúbka povlaku spôsobuje, že táto časť reaguje odlišne pri zahrievaní a môže prispieť k nakloneniu alebo nerovnomernému zdvihu počas prevádzky. Výrobcovia boli svedkami toho, že disky po oprave prešli vizuálnou kontrolou, ale po niekoľkých cykloch sa v dôsledku tejto chyby vyvinuli nestabilné výšky plávania. Hoci sa to zdá triviálne, čistenie pred opravou je kriticky dôležité. Neodstránené kontaminanty alebo reakčné produkty na základnom substráte ohrozia integritu spoja nového povlaku. Na jednej epitaxnej linke SiC bol opravený disk dodaný späť do výroby a po jednom týždni vykazoval na doštičke vibračné stopy. Kontrola disku po oprave odhalila zachytené zvyšky pod opravným povlakom, ktoré sa pomaly rozpínali v dôsledku tepelných cyklov. Po oprave sú disky často kondicionované pri zvýšených teplotách, aby sa zmiernilo napätie vznikajúce počas opravy. Operátori počas tohto procesu monitorujú disk, aby odhalili včasné indikátory deformácie alebo nekonzistentného zdvíhania. Je dôležité nielen opraviť poškodenie, ale aj obnoviť pôvodnú rovnováhu tepelných vlastností, rovinnosti povrchu a rovnováhy prúdenia plynu, aby sa zabezpečilo, že opravený disk bude počas výroby fungovať ako nový.

Vzťah medzi rozložením tepla a stabilitou levitácie doštičky

Počas epitaxie prúdením plynu vyrovnávajúceho doštičku je kľúčové, ako rovnomerne sa teplo rozloží po disku a komore. Ak sa teplo rozloží rovnomerne, plynový film pod ním bude rovnomerný a doštička zostane vyvážená. Nerovnomerné zahrievanie začne narúšať krehkú rovnováhu. Počas skutočného procesu typu AMAT Centura bude stred doštičky oveľa teplejší ako okraje. Dôvodom je, že samotný ohrievač nevytvára úplne rovnomernú tepelnú mapu na povrchu doštičky a chladenie plynu na zadnej strane nemusí byť rovnomerné. Keď sa doštička na jednom mieste zahreje, viac sa v tomto konkrétnom mieste roztiahne, čo mierne posúva vzorec prúdenia plynu pod ňou. Akonáhle sa prúdenie plynu zmení, zmení sa výška levitácie doštičky. Jedna strana doštičky sa bude vznášať o niečo vyššie ako druhá. Aj keď to nemusí byť vždy viditeľné voľným okom, procesný nástroj to dokáže čítať ako malý pohyb alebo osciláciu počas procesu rastu. Najjednoduchší spôsob, ako si to vizualizovať, je predstaviť si veľmi tenký puk na vzdušný hokej, ale s jednou stranou hracej plochy o niečo teplejšou; Puk by stále plával, ale driftoval by alebo sa nakláňal smerom k chladnejšej strane povrchu. Podobný koncept platí aj pre rastovú komoru. Počas skutočnej výroby sa to prejaví ako zmena hrúbky od okraja k stredu na doštičkách a/alebo mierne posuny v zarovnaní po dlhých sériách. Jeden výrobný tím zaznamenal po vykonaní údržby mierne nestabilný rast epitaxie a pri kontrole zistil, že došlo k úprave profilu ohrevu komory; mierne posunuli horúcu zónu, čo zabránilo plynu vyrovnávajúcemu disk fungovať tak, ako by mal, s nerovnomerným teplom.

Aby sa minimalizovala nestabilita levitačného disku, operátori zvyčajne venujú pozornosť trom hlavným veciam: zhodným profilom vykurovacích prvkov, konzistentnému prúdeniu plynu na zadnej strane a akýmkoľvek zmenám v opotrebovaní O-krúžku komory a na povrchu disku.

Optimalizácia dizajnu plynového plávajúceho disku pre dlhodobú tepelnú spoľahlivosť

Navrhovanie plynového plávajúceho disku na použitie počas mnohých cyklov v epitaxičnom nástroji zahŕňa najmä tepelný výkon. Musí nielen fungovať pri vysokých teplotách, ale musí to fungovať aj po 100 až 1000 cykloch bez toho, aby pomaly stratil rovinnosť. Výber materiálu je tu kritický. Materiál substrátu musí byť schopný podstúpiť tepelné cykly bez toho, aby v priebehu času generoval veľký profil napätia. Napätia sa budú hromadiť, ak má materiál vysoké koeficienty a podlieha rýchlym tepelným cyklom. Tepelná rozťažnosť substrátu musí byť tiež dobre zladená s vrchným náterom. Vo výrobnom prostredí sa aj malé tepelné rozdiely medzi materiálmi časom nahromadia a disk sa zdeformuje, hoci spočiatku môže vyzerať dobre. Dizajn vrchného náteru je rovnako dôležitý. Rovnomerný CVD TaC povlak na disku mu pomôže rovnomerne absorbovať teplo po celom povrchu. Ak má povlak rôznu hrúbku, bude mať na povrchu rôzne rýchlosti tepelnej reakcie, čo vytvorí tepelne indukované napätie, ktoré časom disk zdeformuje. Predpokladá sa, že v niektorých výrobných tímoch sa to môže vyskytnúť pri dlhých sériách, pretože disky pomaly prechádzajú z plochého na klenutý tvar. Veľmi dôležité sú aj geometrické prvky. Akékoľvek odchýlky v rozložení otvorov, hrúbke hrán, nosných oblastiach a ďalších prvkoch môžu meniť správanie prúdenia plynu pod diskom. Nerovnomerné prúdenie môže spôsobiť nerovnomerné zdvíhanie disku za procesných podmienok, čo vytvára dodatočné namáhanie počas tepelného cyklovania, čo urýchli opotrebovanie. Príklad vylepšenej konštrukcie pracujúcej pri tepelnom namáhaní bol pozorovaný na epitaxnej linke SiC; pred prechodom na aktualizovaný dizajn disku mali po dlhých sériách výrazný vyrovnávací drift. Po prechode na disk s optimalizovanými prietokovými kanálmi sa drift znížil, pretože profil zdvihu disku sa počas prevádzky udržiaval presnejšie, čo potvrdili dlhodobé kontroly údržby pôvodných aj modernizovaných diskov. Tepelná spoľahlivosť závisí aj od chladiacich charakteristík. Ak sa disk neochladzuje rovnomerne, môže to „zablokovať“ namáhanie a v dôsledku toho spôsobiť ďalšiu degradáciu pri cyklovaní. Dlhodobá rovinnosť sa v podstate dosahuje dosiahnutím rovnováhy medzi výkonom materiálu a povlaku a navrhnutým prietokom plynu cez disk.