Testning av CVD TaC-beläggningens vidhäftningsstyrka och risker för flagning

För specialbeläggningar på grafiten, CVD TaC och CVD sic-beläggning I högtemperaturmaskiner för chiptillverkning är beläggningens bindningsförmåga till delen av största vikt för delarnas livslängd. Svag bindning orsakar små sprickor och flagning i värme- och kylprocesser, vilket genererar föroreningar eller ojämnt skydd och processfel. Många delar ser bra ut från början i fabriken och kanterna lossnar efter flera användningar. Därför bör bindningsstyrkan testas innan delarna används i fabriken för att undvika oväntade maskinfel.

Standardvidhäftningstester för CVD TaC-beläggning på grafitsubstrat

För att ta reda på den relativa hållfastheten utförs flera kvalitativa tester i fabriker; först sker reptestet. Här dras en diamantspets över beläggningen med ökande kraft. Om filmen spricker, flagnar eller lossnar från grafitlagret i förtid visar det dålig vidhäftning. Detta är ett enkelt test men visar tydliga resultat innan delar tas i bruk.

Ett annat snabbt test är tejptestet där tejp appliceras på filmen och sedan dras av. Om flagor lossnar med tejpen kan bindningen med grafitbasen vara svag. Detta är ett snabbt preliminärt test som används i laboratorier innan mer rigorösa tester.

Upprepad uppvärmning och kylning är också extremt populärt, eftersom processen perfekt efterliknar en verklig applicering. Slitstarka beläggningar uppvisar inga negativa effekter, medan svagare beläggningar börjar flagna eller lossna i kanterna. I en fabrikssituation misslyckades beläggningarna vid den andra kontrollen efter att ha uppvärmts upprepade gånger (flagnat i kanterna), även om detta berodde på kontaminering av substratet före applicering.

Dragtestning (där en regel limmas fast på beläggningen och sedan dras tills substratet lossnar från den) är det andra testet, som ger ett värde på ett kontinuum, är bra för jämförelse av batcher men kan ta avsevärd tid att utföra. Intryckningstestning används som ett visuellt och kvantifierbart test, där en hård spets drivs in i beläggningen och omfattningen av sprickbildning mäts. Om de utförs korrekt tillsammans säkerställer dessa tester god beläggningsintegritet.

Tidiga varningstecken på TaC-beläggningsflagning i epitaxiapplikationer

Den här typen av maskiner har väldigt få fall där beläggningsdelaminering sker oväntat. För det mesta sker en liten förändring i detaljen som går obemärkt förbi. Färgförändringen i beläggningen uppträder ganska tidigt. En ny beläggning bör se jämn och slät ut, men under belastning verkar vissa delar matta i färgen, särskilt längs kanter, hörn och områden med hög värme.

Det förekommer ofta också mycket små kanter som ser ut som ett stående lager av beläggning vid kanterna om man tittar på det i ljuset med rätt vinkel och/eller vid högre förstoring. I en fabrikslinje lade en städarbetare märke till fina dammpartiklar bredvid kanten på detaljen och fann att flagning redan började vid kanten.

Hårfina sprickor tyder också på problem. De initiala sprickorna är fina och ytliga och uppträder i områden med värmestress, och sammanfogas så småningom och bildar större områden med splittring om sprickan inte repareras. Andra subtila indikatorer inkluderar ökade nivåer av partiklar eller damm inuti kammaren.

Även om inga synliga defekter kan synas på beläggningen, kan partiklar flagna av beläggningen under drift och kan observeras på bildskärmar innan ett katastrofalt fel inträffar. Ojämnheter kan öka, eftersom en tidigare slät beläggning utvecklar ett kornigt utseende på grund av nedbrytning av beläggningens översta lager.

Eftersom en liten defekt på kanten kan utvecklas till ett större fel som äventyrar kvaliteten och kräver maskinstopp, är det viktigt att identifiera dessa tidiga indikatorer.

Termiska cykliska effekter på CVD TaC-belagda epitaxiella delar

Eftersom belagda komponenter upprepade gånger värms upp och kyls ner under dagen utvecklas mycket starka spänningar på beläggningen med tiden. När komponenterna värms upp expanderar beläggningen och grafiten, men i olika takt. Så varje värmecykel utvecklar spänningar mellan de två materialen vid gränssnittet. När komponenten svalnar vänder spänningen åt andra hållet. En uppvärmnings- och kylningscykel kommer inte att orsaka några skador, men under hundratals sådana cykler utvecklas små inre spänningar.

Beläggningen skulle vara relativt slät och stabil, men efter upprepade temperaturförändringar skulle små spänningsområden utvecklas vid de skarpare kanterna eller ojämn uppvärmning. Mitten av komponenten skulle finnas kvar länge, och komponentens utsida skulle slitas ut i verkliga verktyg. Små sprickor i komponentens kant är ett vanligt exempel, efter upprepad användning skulle det utvecklas vid kanten och börja växa när spänningen tvingar isär den efter varje värmecykel och små flingor skulle lossna.

Vid upprepad uppvärmning och kylning slits beläggningens inre matris ut, så att få komponenter skulle klara det initiala testet, men efter långvarig användning (ett antal månader) fortfarande vara benägna att skadas. I ett fall har delar börjat lossna efter några hundra cykler på grund av snabb uppvärmning som skapar extremt stor spänning i motsats till långsam uppvärmning.

Ytbehandlingsmetoder för att förbättra beläggningens bindningsstyrka

Det krävs betydande förberedelser på grafitdelar innan någon typ av beläggning appliceras så att lagret fäster. Dålig förberedelse på en bra beläggning leder helt enkelt till att beläggningen går sönder för tidigt. Djuprengöring av en grafitdel är en aspekt av denna förberedelse. Grafit fångar lätt upp mycket fint damm, kvarvarande oljor eller bearbetningspartiklar i sina porer. Dessa ämnen förhindrar fysiskt att beläggningen kommer i direkt kontakt med underlaget.

Även en mikroskopisk oljefilm skapar svaga zoner i bindningen, vilket blir platser där flagning kan påbörjas. Vanligtvis används särskilda rengöringslösningar eller ibland bakas delen i en ugn för att eliminera eventuella djupt sittande rester.

Nästa steg är att se till att ytan är något ruggad för att öka det effektiva greppet som beläggningen kommer att ha jämfört med om ytan vore helt slät. Detta uppnås vanligtvis genom sandblästring eller manipulering av maskinverktyg för att uppnå en grov men relativt stabil greppyta som beläggningen mekaniskt kan "haka fast" i, eller genom användning av plasmabehandlingar som tillfälligt bombarderar grafitytan med gas för att aktivera den och kemiskt predisponera den för att vara kompatibel med beläggningsmaterial utan att ha några negativa effekter på substratets form.

Värmebehandlingar av grafitdelar används före beläggning, eftersom högtemperaturhärdning av en del kan driva ut instängda gaser i materialet. Dessa gaser kan potentiellt läcka ut medan en beläggning avsätts, vilket skapar den ideala platsen för en svag punkt eller en blåsa under beläggningen. Dessa processer kombineras vanligtvis.

Felanalys av TaC-belagda ringar som används i LPE (ASM)-system

Belagda grafitringar fungerar under extrema förhållanden, inklusive hög temperatur, högt gasflöde och termiska cykler. Felmekanismer hos belagda grafitringar är oftast förknippade med beläggningsspänning, ytkvalitet och termisk utmattning.

Kantdelaminering där beläggningen tenderar att delaminera från kanterna på vassa kanter och tunna sektioner eftersom de utsätts för accelererade kylnings- och uppvärmningshastigheter jämfört med bulkdelar. Efter att lyftet initierats vid kanten växer detta fenomen på samma sätt som en öppningsbar dragkedja längs kanten.

Små flagor kan uppstå på insidan där gasflödet är mer intensivt och genererar heta punkter lokalt. En mängd fint svart damm upptäcktes i ett system som har förknippats med de fina sprickorna på ringens innervägg. Fel på gränssnittsbindningen är en annan grundläggande mekanism; svag vidhäftning under lagret tillskrivs plötslig, stor yta som lossnar, vanligtvis från en yta som inte rengjordes ordentligt, eller gaser som fångats vid gränssnittet och expanderar.

Snabb termisk cykling, å andra sidan, skapar termisk chock där termiska spänningar snabbt kan byggas upp vid gränssnittet mellan beläggning och bas. I en produktionsprocess varade en ring bara några månader. Även om det till synes var normalt inledningsvis ökade partikelnivån stadigt och vid borttagning hade en stor del av beläggningen delaminerat i närheten av fästpunkterna.

Detta fel berodde på ojämn uppvärmning och dålig rengöring av kanterna före beläggning. Även om felen vanligtvis uppstår på grund av små defekter med tiden, kan regelbunden inspektion och stabil uppvärmningstemperatur vara bra förebyggande åtgärder mot denna typ av fel.