Hvorfor gasflydende skiver bliver ujævne i højtemperaturepitaksi

De flydende gasskiver, der anvendes i højtemperatur-epitaksiprocesser, giver waferne stabilitet og holder dem understøttet med ensartet gasstrøm. I produktionsmiljøet kan operatører observere, at disse skiver over tid mister deres parallelitet. Selvom en lille ændring kan være ubetydelig for ensartetheden af ​​gasstrømmen og wafernes stabilitet, kan en vippet skive opstå fra lidt slid eller en ophobning på skivens overflade og kan forværres med tiden. Dette er, hvad der skal forstås for at undgå nedetid og produktfejl. I årenes løb og under den daglige rutine i fabrikken kan små ændringer i temperatur og strømningsforhold i dag skubbe skiverne ud af justering.

Termiske deformationsmekanismer i AMAT Centura5200 gasflydende skiver

Den flydende gasskive er tilbøjelig til at miste sin fladhed i et AMAT Centura5200-system, delvist på grund af varme. Under høje temperaturer Epitaksi-vækst , opvarmes skiven ujævnt af reaktorkammeret. Den modtager meget mere stråling og plasmaenergi ovenfra, og kold gas strømmer nedefra. Temperaturforskellen fører til termiske spændinger i materialet. Gentagen cykling af metallet eller den belagte overflade med forskellige temperaturer fører til udvidelse og sammentrækning af skivematerialet. Selvom spændingen ved hver termisk cyklus kan være relativt lille, begynder den akkumulerede restspænding at udvikle termisk deformation, når den udføres gentagne gange hundredvis eller tusindvis af gange. Nogle områder udvider sig og strækker sig mere end andre og fører til en lille vridning i skiven. Denne lille hældning kan forstyrre gaspuden, som gør det muligt for skiven at flyde jævnt. Den termiske deformation kan også induceres af temperaturgradienter på tværs af skiven. En del af skiven kan være tæt på varmekilden eller modtage lidt mindre kølegasstrøm. Den ene del strækker sig derefter mere end den anden. Dette problem kan opstå efter vedligeholdelse eller rengøring, da gasstrømningsegenskaberne ofte ændres, og det er almindeligt at observere ustabil skiveudjævning efter ovenstående operation. Krybning er også et problem. Høj temperatur inducerer gradvis deformation af skivematerialet under en vedvarende belastning. Dette er en langsom proces uden pludseligt brud; det repræsenterer dog den langsomme "stresshukommelse". I nogle fabrikker er det blevet rapporteret, at der blev fundet en lille hældning i skiven efter måneders brug uden synlige defekter. Et illustrativt eksempel kan ses fra en Sic epitaksi linje, hvor waferen viste ujævn tykkelse. En omhyggelig undersøgelse af den flydende gasskive i kammeret afslørede en konkav skive. Den underliggende årsag blev analyseret til at være høje temperaturcyklusser og ujævn tilbagegående gaskølestrøm. Stabiliteten af ​​den flydende gasskive er primært forbundet med den kontrollerede temperaturfordeling, pålidelig gasstrøm og udskiftning af skiverne, før der initieres betydelig krybning.

Hvordan påvirker CVD TaC-belægningens ensartethed diskens fladhed og stabilitet?

CVD TaC-belægninger bruges normalt til gasflydende skiver, fordi de er veludviklede og har høj ydeevne til at modstå varme og korrosion i hårde epitaktiske miljøer. Men selv et stærkt belægningsmateriale af tantalcarbid kan ikke undgå den kritiske betydning af ensartet belægningstykkelse for fladhed og stabilitet under drift af en gasflydende skive. Når belægningstykkelsen er perfekt ensartet over hele overfladen, vil skiven under høj temperatur og højt gastryk udvide sig symmetrisk, og varmen spredes jævnt over skiven med mindre indre spænding. Samtidig kan gaspuden under skiven dannes mere ensartet, hvilket hjælper med at holde waferen stabil under vækst. Problemet opstår, når der er forskel i belægningstykkelsen på hele overfladen. En side med en lidt tykkere belægningssektion tilføjer ekstra stivhed i det område og vil reagere forskelligt under høj temperatur. Den kan udvide sig langsomt eller endda trække sig sammen i forhold til det tyndere område. Gennem kontinuerlig cyklisk opvarmning kan den belastningsakkumulering, der forårsages af disse forskelle, generere intern spænding og resultere i en mild bøjning af skivebunden, som oprindeligt var helt flad. I den faktiske produktion observerer vi dette problem som ustabil flydehøjde, eller wafernes centre begynder at forskyde sig en smule, selvom alt andet virker helt normalt. En produktionsingeniør kan opdage det, når de observerer, at variationen i tykkelsen fra center til kant på den aflejrede wafer steg uventet, men når de kontrollerer kammeret, kan de indse, at den flydende skive allerede har et ikke særlig tydeligt "løftemønster", der normalt relaterer sig til variationer i belægningen. Jeg kan huske et eksempel på dette problem på SiC-produktionslinjen. En gasflydende skive ser visuelt godt ud lige efter belægning. Den begyndte derefter at vise mild vridning efter en periode med høj temperatur. Vi fandt faktisk ud af, at den viste adskillige mikrometer forskel i tykkelse ved analysen, og denne lille værdi var ansvarlig for den let bøjede skive, der opererede ved 1500°C. En korrekt kontrol af gasstrømningshastighed, temperaturprofil og rotation af skiven under belægning er påkrævet i processerne, hvor måling af belægningstykkelsen rutinemæssigt måles for at forhindre en tidlig drift af procesforholdene, og belægningsprocessen vil blive rekalibreret.

AMAT-reparationsstandarder for gasfloatskiver til præcisionsepitaksiprocesser

Gasflydende skiver i epitaksiudstyr til præcisionsværktøjer som AMAT Centura er afgørende for at stabilisere waferen under vækst ved høj temperatur. Der er en streng protokol involveret ved reparation af slidte, deformerede eller ujævnt belagte skiver. Eventuelle fejltrin i reparationsprocessen vil påvirke gaspudens adfærd og dermed waferens kvalitet. Det mest umiddelbare aspekt, der evalueres efter reparation, er overfladens planhed. Reparationen skal overholde meget snævre planhedstolerancer, da selv en mindre mængde vridning kan forvrænge gasstrømningsbalancen. Enhver slibning eller polering skal sikre, at en lige stor mængde materiale fjernes fra hele overfladen; ujævn polering er årsagen til de fleste tidlige skivefejl. Reparation af belægning er også et følsomt emne. De fleste skiver er beskyttet med CVD TaC og lignende hårde belægninger. Ved genbelægning er det afgørende at sikre, at lagtykkelsen er ensartet over hele skivens overflade. Ujævn belægningstykkelse får den del til at reagere forskelligt, når den opvarmes, og kan bidrage til hældning eller ujævnt løft under drift. Fabrikker har set diske bestå visuel inspektion efter en reparation, men udvikle ustabile flydehøjder efter et par cyklusser på grund af denne defekt. Selvom det virker trivielt, er rengøring før reparation kritisk vigtig. Ufjernede forurenende stoffer eller reaktionsprodukter på basissubstratet vil kompromittere integriteten af ​​den nye belægningsbinding. På en SiC-epitaksilinje blev en repareret disk leveret tilbage til produktionen og udviste efter en uge vibrationsmærker på waferen. Inspektion af disken efter reparation afslørede fanget rester under reparationsbelægningen, som langsomt udvidede sig på grund af termisk cykling. Efter reparation konditioneres diskene ofte ved forhøjede temperaturer for at aflaste belastninger opstået under reparationen. Operatører overvåger disken under denne proces for at opdage tidlige indikatorer for vridning eller inkonsekvent løftning. Det er vigtigt ikke kun at reparere skaden, men også at genskabe den oprindelige balance mellem termiske egenskaber, overfladeplanhed og gasstrømningsbalance for at sikre, at den reparerede disk vil fungere som ny under produktionen.

Forholdet mellem varmefordeling og waferlevitationsstabilitet

Under gasstrømmen, der udjævner waferen under epitaksi, er det afgørende, hvor jævnt varmen fordeles på tværs af disken og kammeret. Hvis varmen fordeles jævnt, vil gasfilmen nedenunder være ensartet, og waferen vil forblive afbalanceret. Ujævn opvarmning vil begynde at forstyrre den fine balance. Under en faktisk AMAT Centura-type proces vil midten af ​​waferen være meget varmere end kanterne. Årsagen til dette er, at selve varmelegemet ikke producerer et helt ensartet varmekort på tværs af waferoverfladen, og bagsiden af ​​gassen er muligvis ikke ensartet. Når waferen bliver varmere på ét sted, udvider den sig mere på det bestemte sted, hvilket ændrer strømningsmønsteret for gassen nedenunder en smule. Når gasstrømmen ændrer sig, ændres waferens levitationshøjde. Den ene side af waferen vil flyde lidt højere end den anden. Selvom dette måske ikke altid er synligt for det blotte øje, kan et procesværktøj aflæse dette som en lille bevægelse eller svingning under vækstprocessen. Den nemmeste måde at visualisere dette på er at forestille sig en meget tynd airhockeypuck, men med den ene side af spillefladen lidt varmere; Pucken ville stadig flyde, men drive eller vippe mod den køligere side af overfladen. Et lignende koncept gælder for vækstkammeret. Under den faktiske produktion vil dette vise sig som variationer i tykkelsen fra kant til center på wafere og/eller små forskydninger i justeringen efter lange kørsler. Et fabriksteam havde oplevet en let ustabil epitaksiv vækst efter vedligeholdelse og opdagede gennem inspektion, at der var foretaget en ændring af kammerets varmeprofil; de forskudte den varme zone en smule, hvilket forhindrede gassen, der nivellerede disken, i at fungere som den skulle med den ujævne varme.

For at minimere ustabiliteten af ​​den svævende skive vil operatører generelt være opmærksomme på tre hovedting: varmeelementernes matchende profiler, ensartet bagsides gasstrøm og eventuelle ændringer i sliddet på kammerets O-ring og på skivens overflade.

Optimering af design af gasflydende skiver for langsigtet termisk pålidelighed

Design af en gasflydende skive til brug i mange cyklusser i et epitaksiværktøj involverer primært termisk ydeevne. Den skal ikke kun fungere ved høje temperaturer, men også efter hundredvis til tusindvis af kørsler uden langsomt at miste sin planhed. Materialevalg er afgørende her. Substratmaterialet skal kunne gennemgå termisk cykling uden at generere en stor spændingsprofil over tid. Spændingerne vil akkumuleres, hvis materialet har høje koefficienter og gennemgår hurtige termiske cyklusser. Substratets termiske udvidelse skal også være godt tilpasset overbelægningen. I et fabrikationsmiljø vil selv mindre termiske uoverensstemmelser mellem materialer akkumuleres over tid, og skiven vil vride sig, selvom den i starten kan se fin ud. Overbelægningsdesign er lige så kritisk. En jævn CVD TaC-belægning på tværs af skiven vil hjælpe den med at absorbere varme jævnt over overfladen. Hvis belægningen har varierende tykkelse, vil den have forskellige termiske reaktionshastigheder på tværs af overfladen, hvilket skaber termisk induceret spænding, som vil vride skiven over tid. Det menes, at dette i nogle produktionsteams kan forekomme over lange kørsler, da skiverne langsomt overgår fra flad til en kuppelformet form. Geometriske egenskaber er også meget kritiske. Eventuelle afvigelser i hulmønsteret, kanttykkelsen, støtteområderne og andre egenskaber kan variere gasstrømmens opførsel under skiven. Uensartet strømning kan få skiven til at løfte sig ujævnt under procesforhold, hvilket genererer ekstra belastninger under termisk cykling, hvilket vil accelerere slid. Et eksempel på et forbedret design, der arbejder under termisk belastning, blev set på en SiC-epitaksilinje; før de skiftede til et opdateret skivedesign, havde de betydelig nivelleringsdrift efter lange kørsler. Ved skift til en skive med optimerede strømningskanaler reduceredes driften, da skivens løfteprofil blev opretholdt mere præcist under hele driften, hvilket bekræftes af langvarige vedligeholdelseskontroller af både originale og opgraderede skiver. Termisk pålidelighed afhænger også af køleegenskaber. Hvis skiven ikke køler jævnt, kan dette "låse" spændingen og som følge heraf forårsage yderligere forringelse under cykling. I bund og grund opnås langsigtet fladhed ved at opnå en balance mellem materiale- og belægningsydelse og den designede gasstrømning gennem skiven.