Zašto plinski plutajući diskovi postaju neravnomjerni pri epitaksiji na visokim temperaturama

Plutajući plinski diskovi koji se koriste u procesima epitaksije na visokim temperaturama pružaju stabilnost pločicama i održavaju ih ravnomjernim protokom plina. U proizvodnom okruženju, operateri mogu primijetiti da tokom vremena ovi diskovi gube paralelnost. Iako mala promjena može biti zanemariva za ujednačenost protoka plina i stabilnost pločica, nagnuti disk može početi zbog malog trošenja ili nakupljanja na površini diska, a vremenom se može pogoršati. To je ono što treba razumjeti kako bi se izbjegli zastoji i kvarovi proizvoda. Tokom godina, tokom svakodnevne rutine u tvornici, male promjene temperature i uvjeta protoka mogu danas pomaknuti diskove iz poravnanja.

Mehanizmi termičke deformacije u plinskim plutajućim diskovima AMAT Centura5200

Plovni disk za gas sklon je gubitku ravnosti u AMAT Centura5200 sistemu, dijelom zbog toplote. Tokom visokih temperatura Epitaksijalni rast , disk se neravnomjerno zagrijava reaktorskom komorom. Prima mnogo više zračenja i energije plazme odozgo, a hladan plin struji odozdo. Temperaturna razlika dovodi do termičkih napona u materijalu. Ponavljano cikliranje metala ili premazane površine s različitim temperaturama dovodi do širenja i skupljanja materijala diska. Iako napon u svakom termičkom ciklusu može biti relativno mali, kada se ponavlja stotinama ili hiljadama puta, akumulirani zaostali napon počinje razvijati termičku deformaciju. Neka područja se šire i istežu više od drugih i dovode do blagog savijanja diska. Ovaj blagi nagib može poremetiti plinski jastuk koji omogućava disku da ravnomjerno pluta. Termička deformacija također može biti izazvana temperaturnim gradijentima preko diska. Jedan dio diska može biti blizu izvora topline ili primiti nešto manji protok rashladnog plina. Jedan dio se tada isteže više od drugog. Ovaj problem može nastati nakon održavanja ili čišćenja jer se karakteristike protoka plina često mijenjaju, a uobičajeno je primijetiti nestabilno niveliranje diska nakon gore navedene operacije. Puzanje je također problem. Visoka temperatura izaziva postepenu deformaciju materijala diska pod trajnim opterećenjem. Ovo je spor proces bez iznenadnog loma; Međutim, to predstavlja sporo "pamćenje naprezanja". U nekim fabrikama je prijavljeno da je nakon višemjesečnog rada uočen blagi nagib diska bez vidljivih nedostataka. Ilustrativan primjer može se vidjeti na Sic epitaksija linija kada je pločica pokazala neujednačenu debljinu. Pažljivim ispitivanjem plinskog plutajućeg diska u komori otkriven je konkavni disk. Analizirano je da su uzrok ciklusi visoke temperature i neujednačen povratni tok plina za hlađenje. Stabilnost plinskog plutajućeg diska prvenstveno je povezana s kontroliranom raspodjelom temperature, pouzdanim protokom plina i zamjenom diskova prije nego što započne značajno puzanje.

Kako ujednačenost CVD TaC premaza utiče na ravnost i stabilnost diska?

CVD TaC premazi se obično koriste za diskove s plinskim plutanjem jer su dobro razvijeni, visokih performansi u otpornosti na vrućinu i koroziju u okruženju tvrde epitaksije. Ali čak ni žilavi materijal premaza od tantal karbida ne može izbjeći kritičnu važnost ujednačene debljine premaza za ravnost i stabilnost tokom rada diska s plinskim plutanjem. Kada je debljina premaza savršeno ujednačena po cijeloj površini, disk će se pod visokom temperaturom i visokim pritiskom plinova simetrično širiti, toplina će se ravnomjerno širiti po disku s manjim unutrašnjim naponom. Istovremeno, plinski jastuk ispod diska može se formirati ujednačenije, što pomaže da položaj pločice bude stabilan tokom rasta. Problem nastaje kada postoji razlika u debljini premaza na cijeloj površini. Jedna strana koja ima nešto deblji dio premaza dodaje dodatnu krutost u tom području i drugačije će reagirati pod visokom temperaturom, može se sporije širiti ili čak relativno skupljati u poređenju s tanjim područjem. Kontinuiranim cikličnim zagrijavanjem, akumulacija naprezanja uzrokovana tim razlikama može generirati unutrašnje naprezanje i rezultirati blagim savijanjem baze diska koja je prvobitno bila savršeno ravna. U stvarnoj proizvodnji, ovaj problem primjećujemo kao nestabilnu visinu plutajućeg diska ili se centri pločica počinju lagano pomicati, čak i kada sve ostalo izgleda savršeno normalno. Proizvodni inženjer to može otkriti kada primijeti da se varijacija debljine od centra do ruba deponovane pločice neočekivano povećala, ali prilikom provjere komore može shvatiti da plutajući disk već ima ne baš očigledan "uzorak podizanja" koji se obično povezuje s varijacijom premaza. Mogu se sjetiti jednog primjera ovog problema na proizvodnoj liniji SiC-a. Plinski plutajući disk vizualno dobro izgleda odmah nakon premazivanja. Zatim je počeo pokazivati ​​blago savijanje nakon perioda rada na visokoj temperaturi. Analizom smo otkrili da se zapravo vidi razlika u debljini od nekoliko mikrometara, a tako mala vrijednost je bila odgovorna za blago savijen disk koji radi na 1500°C. U procesima je potrebna pravilna kontrola protoka plina, temperaturnog profila i rotacije diska tokom nanošenja premaza, pri čemu se rutinski mjeri debljina premaza kako bi se spriječilo prerano odstupanje od procesnih uslova, a proces nanošenja premaza će biti ponovo kalibriran.

AMAT standardi za popravak plinskih plovnih diskova za procese precizne epitaksije

Plinski plutajući diskovi u opremi za epitaksiju za precizne alate kao što je AMAT Centura su neophodni za stabilizaciju pločice tokom rasta na visokim temperaturama. Postoji strogi protokol prilikom popravke istrošenih, deformisanih ili neravnomjerno obloženih diskova. Bilo kakvi pogrešni koraci u procesu popravke uticaće na ponašanje gasnog jastuka i time na kvalitet pločice. Najneposredniji aspekt koji se procenjuje nakon popravke je ravnost površine. Popravka mora ispunjavati vrlo uske tolerancije ravnosti, jer čak i mala količina savijanja može iskriviti ravnotežu protoka gasa. Svako brušenje ili poliranje mora osigurati da se jednaka količina materijala ukloni sa cijele površine; neravnomerno poliranje je uzrok većine ranih kvarova diskova. Popravka premaza je takođe osetljivo pitanje. Većina diskova je zaštićena CVD TaC i sličnim tvrdim premazima. Prilikom ponovnog premazivanja, ključno je osigurati da je debljina sloja ravnomerna po celoj površini diska. Neravnomerna debljina premaza uzrokuje da taj deo reaguje drugačije kada se zagreje i može doprineti naginjanju ili neravnomernom podizanju tokom rada. Fabrike su videle diskove koji prolaze vizuelni pregled nakon popravke, ali razvijaju nestabilne visine plutanja nakon nekoliko ciklusa zbog ovog defekta. Iako se čini trivijalnim, čišćenje pre popravke je od kritične važnosti. Neuklonjeni kontaminanti ili produkti reakcije na osnovnoj podlozi ugrozit će integritet veze novog premaza. Na jednoj liniji SiC epitaksije, popravljeni disk je vraćen u proizvodnju i nakon jedne sedmice pokazao je tragove vibracija na pločici. Inspekcija diska nakon popravke otkrila je zarobljene ostatke ispod popravljanog premaza koji se polako širio zbog termičkog cikliranja. Nakon popravke, diskovi se često kondicioniraju na povišenim temperaturama kako bi se ublažila naprezanja nastala tokom popravke. Operateri prate disk tokom ovog procesa kako bi otkrili rane pokazatelje savijanja ili nedosljednog podizanja. Važno je ne samo popraviti oštećenje, već i vratiti prvobitnu ravnotežu termičkih svojstava, ravnosti površine i ravnoteže protoka plina kako bi se osiguralo da će popravljeni disk raditi kao nov tokom proizvodnje.

Veza između distribucije toplote i stabilnosti levitacije pločice

Tokom epitaksije, ključno je koliko se ravnomjerno toplota raspoređuje po disku i komori. Ako se toplota ravnomjerno raspoređuje, film gasa ispod nje će biti ujednačen i testera će ostati uravnotežena. Neravnomjerno zagrijavanje će početi poremetiti delikatnu ravnotežu. Tokom stvarnog AMAT Centura procesa, središte testere će biti mnogo toplije od ivica. Razlog tome je što sam grijač ne proizvodi potpuno ujednačenu toplotnu mapu po površini testere, a hlađenje gasa na poleđini možda neće biti ujednačeno. Kada se testera zagrije na jednom mjestu, ona se više širi na tom određenom mjestu, što neznatno pomiče obrazac toka gasa ispod. Nakon što se protok gasa pomakne, visina levitacije testere se mijenja. Jedna strana testere će lebdjeti malo više od druge. Iako ovo možda nije uvijek vidljivo golim okom, alat za obradu može ovo očitati kao malo kretanje ili oscilaciju tokom procesa rasta. Najlakši način da se ovo vizualizira je da se zamisli vrlo tanki pak za vazdušni hokej, ali sa jednom stranom površine za igru ​​malo toplijom; Pak bi i dalje plutao, ali bi se kretao ili naginjao prema hladnijoj strani površine. Sličan koncept se primjenjuje i na komoru za rast. Tokom stvarne proizvodnje, ovo će se pokazati kao varijacija debljine od ruba do centra na pločicama i/ili mala pomjeranja u poravnanju nakon dugih serija. Jedan fabrikanski tim je iskusio blago nestabilan rast epitaksije nakon održavanja i otkrio je inspekcijom da je napravljena modifikacija profila zagrijavanja komore; malo su pomjerili vruću zonu, što je spriječilo da plin koji niveliše disk funkcioniše kako treba s neravnomjernom toplinom.

Kako bi se smanjila nestabilnost levitirajućeg diska, operateri će uglavnom obratiti pažnju na tri glavne stvari: usklađene profile grijaćih elemenata, konzistentan protok plina sa stražnje strane i sve promjene u trošenju O-prstena komore i na površini diska.

Optimizacija dizajna plinskog plutajućeg diska za dugoročnu termičku pouzdanost

Dizajniranje plinskog plutajućeg diska za upotrebu tokom više ciklusa u alatu za epitaksiju uglavnom uključuje termičke performanse. Ne samo da mora raditi na visokim temperaturama, već to mora činiti i nakon 100 do 1000 ciklusa, bez postepenog gubitka ravnosti. Izbor materijala je ovdje ključan. Materijal podloge mora biti sposoban da podnese termičke cikluse bez stvaranja velikog profila napona tokom vremena. Naponi će se akumulirati ako materijal ima visoke koeficijente i podliježe brzim termičkim ciklusima. Termičko širenje podloge također mora biti dobro usklađeno s premazom. U tvorničkom okruženju čak će se i manje termičke neusklađenosti između materijala s vremenom akumulirati i disk će se iskriviti, iako u početku može izgledati dobro. Dizajn premaza je podjednako važan. Ravnomjerni CVD TaC premaz preko diska pomoći će mu da ravnomjerno apsorbira toplinu po svojoj površini. Ako premaz ima različitu debljinu, imat će različite brzine termičke reakcije po površini, stvarajući termički inducirano naprezanje koje će s vremenom iskriviti disk. Vjeruje se da se u nekim proizvodnim timovima ovo može dogoditi tokom dugih serija, jer diskovi polako prelaze iz ravnog u kupolasti oblik. Geometrijske karakteristike su također vrlo kritične. Bilo kakva odstupanja u uzorku rupa, debljini ivice, područjima oslonca i drugim karakteristikama mogu mijenjati ponašanje protoka plina ispod diska. Neujednačen protok može uzrokovati neravnomjerno podizanje diska u procesnim uvjetima, stvarajući dodatna naprezanja tokom termičkog cikliranja, što će ubrzati habanje. Primjer poboljšanog dizajna koji radi pod termičkim naprezanjem viđen je na SiC epitaksijskoj liniji; prije prelaska na ažurirani dizajn diska, imali su značajno pomicanje nivelacije nakon dugih serija. Nakon prelaska na disk s optimiziranim kanalima protoka, pomicanje se smanjilo, jer je profil podizanja diska preciznije održavan tokom rada, što je potvrđeno dugoročnim provjerama održavanja i originalnih i nadograđenih diskova. Termička pouzdanost također ovisi o karakteristikama hlađenja. Ako se disk ne hladi ravnomjerno, to može "zaključati" naprezanje i kao rezultat toga uzrokovati daljnju degradaciju cikliranjem. U suštini, dugoročna ravnost se postiže postizanjem ravnoteže između performansi materijala i premaza i dizajniranog protoka plina kroz disk.