Varför gasflytande skivor blir ojämna vid högtemperaturepitaxi

De flytande gasskivorna som används i högtemperaturepitaxiprocesser ger stabilitet åt wafern och håller dem uppe med ett jämnt gasflöde. I produktionsmiljön kan operatörer observera att dessa skivor med tiden förlorar sin parallellitet. Även om en liten förändring kan vara försumbar för gasflödets jämnhet och waferns stabilitet, kan en lutande skiva uppstå på grund av lite slitage eller en ansamling på skivans yta och kan förvärras med tiden. Detta är vad man behöver förstå för att undvika driftstopp och produktfel. Under årens lopp, under den dagliga rutinen i fabriken, kan små förändringar i temperatur och flödesförhållanden göra att skivorna hamnar ur linje idag.

Termiska deformationsmekanismer i AMAT Centura5200 gasflytande skivor

Den flytande gasskivan är benägen att förlora sin planhet i ett AMAT Centura5200-system, delvis på grund av värme. Vid hög temperatur Epitaxitillväxt värms skivan ojämnt upp av reaktorkammaren. Den tar emot mycket mer strålning och plasmaenergi uppifrån, och kall gas strömmar underifrån. Temperaturskillnaden leder till termiska spänningar i materialet. Upprepad cykling av metallen eller den belagda ytan med olika temperaturer leder till expansion och kontraktion av skivmaterialet. Även om spänningen vid varje termisk cykel kan vara relativt liten, börjar den ackumulerade kvarvarande spänningen att utveckla termisk deformation när den utförs upprepade gånger hundratals eller tusentals gånger. Vissa områden expanderar och sträcker sig mer än andra och leder till en liten vridning i skivan. Denna lilla lutning kan störa gaskudden vilket gör att skivan kan flyta jämnt. Den termiska deformationen kan också induceras av temperaturgradienter över skivan. En del av skivan kan vara nära värmekällan eller få något mindre kylgasflöde. En del sträcker sig sedan mer än den andra. Detta problem kan uppstå efter underhåll eller rengöring eftersom gasflödesegenskaperna ofta förändras, och det är vanligt att observera instabil skivutjämning efter ovanstående operation. Krypning är också ett problem. Hög temperatur inducerar gradvis deformation av skivmaterialet under en ihållande belastning. Detta är en långsam process utan plötsligt brott; det representerar emellertid det långsamma "minnet av stress". I vissa fabriker har det rapporterats att en lätt lutning observerats i skivan efter månaders drift utan uppenbara defekter. Ett illustrativt exempel kan observeras från en Sic epitaxi linje när wafern uppvisade ojämn tjocklek. Noggrann undersökning av den flytande gasskivan i kammaren avslöjade en konkav skiva. Grundorsaken analyserades vara höga temperaturcykler och ojämnt bakåtgående gaskylningsflöde. Stabiliteten hos den flytande gasskivan är främst förknippad med kontrollerad temperaturfördelning, tillförlitligt gasflöde och utbyte av skivorna innan betydande krypning initieras.

Hur påverkar CVD TaC-beläggningens enhetlighet skivans planhet och stabilitet?

CVD TaC-beläggningar används vanligtvis för gasflytande skivor eftersom de är välutvecklade och har hög prestanda när det gäller att motstå värme och korrosion i hårda epitaximiljöer. Men även ett starkt beläggningsmaterial av tantalkarbid kan inte undvika den kritiska betydelsen av jämn beläggningstjocklek för planhet och stabilitet under drift av en gasflytande skiva. När beläggningstjockleken är helt jämn över hela ytan kommer skivan att expandera symmetriskt under hög temperatur och högt gastryck, värmen sprider sig jämnt över skivan med mindre inre spänning. Samtidigt kan gaskudden under skivan formas mer jämnt, vilket hjälper skivans position att vara stabil under tillväxt. Problemet uppstår när det finns en skillnad i beläggningstjocklek på hela ytan. En sida som har en något tjockare beläggningssektion ger extra styvhet i det området och kommer att reagera annorlunda under hög temperatur, den kan expandera långsamt eller till och med krympa relativt i jämförelse med det tunnare området. Genom kontinuerlig cyklisk uppvärmning kan den ackumulerade töjningen som orsakas av dessa skillnader generera intern spänning och resultera i mild böjning av skivbasen, som ursprungligen var helt plan. I den faktiska produktionen observerar vi detta problem som instabil flythöjd, eller att wafernas mittpunkter börjar förskjutas något, även när allt annat verkar helt normalt. En produktionsingenjör kan upptäcka det när de observerar att variationen i tjockleken från mitt till kant på den deponerade wafern ökade oväntat, men när de kontrollerar kammaren kan de inse att den flytande skivan redan har ett inte särskilt uppenbart "lyftmönster" som vanligtvis relaterar till beläggningsvariationer. Jag kan minnas ett exempel på detta problem på SiC-produktionslinjen. En gasdriven flytande skiva ser visuellt bra ut direkt efter beläggning. Den började sedan visa mild skevhet efter en period med hög temperatur. Vi fann att den faktiskt visade flera mikrometers skillnad i tjocklek vid analys, och det lilla värdet var orsaken till att den något böjda skivan arbetade vid 1500°C. En korrekt kontroll av gasflödeshastighet, temperaturprofil och skivans rotation under beläggning krävs i processerna, med mätning av beläggningstjockleken rutinmässigt mätt för att förhindra en tidig drift av processförhållandena, och beläggningsprocessen kommer att omkalibreras.

AMAT-standarder för reparation av gasfloatskivor för precisionsepitaxiprocesser

Gasflytande skivor i epitaxiutrustning för precisionsverktyg som AMAT Centura är viktiga för att stabilisera wafern under högtemperaturtillväxt. Det finns ett strikt protokoll vid reparation av slitna, deformerade eller ojämnt belagda skivor. Eventuella felsteg i reparationsprocessen kommer att påverka gasdynans beteende och därmed waferns kvalitet. Den mest omedelbara aspekten som utvärderas efter reparation är ytans planhet. Reparationen måste uppfylla mycket snäva planhetstoleranser, eftersom även en liten mängd skevhet kan snedvrida gasflödesbalansen. All slipning eller polering måste säkerställa att en lika stor mängd material avlägsnas från hela ytan; ojämn polering är orsaken till de flesta tidiga skivfel. Beläggningsreparation är också en känslig fråga. De flesta skivor är skyddade med CVD TaC och liknande hårda beläggningar. Vid ombeläggning är det avgörande att säkerställa att skikttjockleken är jämn över hela skivans yta. Ojämn beläggningstjocklek gör att den delen reagerar olika vid uppvärmning och kan bidra till lutning eller ojämn lyftning under drift. Fabriker har sett skivor klara visuell inspektion efter en reparation, men utveckla instabila flythöjder efter några cykler på grund av denna defekt. Även om det verkar trivialt är rengöring före reparation avgörande. Föroreningar eller reaktionsprodukter som inte avlägsnats på bassubstratet kommer att äventyra integriteten hos den nya beläggningsbindningen. På en SiC-epitaxilinje levererades en reparerad skiva tillbaka till produktionen och uppvisade efter en vecka vibrationsmärken på wafern. Inspektion av skivan efter reparation avslöjade instängda rester under reparationsbeläggningen som långsamt expanderade på grund av termisk cykling. Efter reparation konditioneras skivorna ofta vid förhöjda temperaturer för att lindra spänningar som uppstår under reparationen. Operatörer övervakar skivan under denna process för att upptäcka tidiga tecken på skevhet eller inkonsekvent lyftning. Det är viktigt att inte bara reparera skadan, utan att återställa den ursprungliga balansen mellan termiska egenskaper, ytjämnhet och gasflödesbalans för att säkerställa att den reparerade skivan kommer att fungera som ny under produktionen.

Förhållandet mellan värmefördelning och stabilitet i waferlevitationen

Under gasflödet som utjämnar wafern under epitaxi är det avgörande hur jämnt värmen fördelas över skivan och kammaren. Om värmen sprids jämnt kommer gasfilmen under den att vara jämn och wafern förblir balanserad. Ojämn uppvärmning kommer att börja rubba den ömtåliga balansen. Under en faktisk AMAT Centura-process kommer mitten av wafern att vara mycket varmare än kanterna. Anledningen till detta är att själva värmaren inte producerar en helt jämn värmekarta över waferns yta, och baksidans kylning av gasen kanske inte är jämn. När wafern blir varmare på ett ställe expanderar den mer på just den platsen, vilket i någon mån förändrar gasflödesmönstret under. När gasflödet förändras förändras waferns levitationshöjd. Ena sidan av wafern kommer att flyta lite högre än den andra. Även om detta kanske inte alltid är synligt för blotta ögat, kan ett processverktyg läsa detta som en liten rörelse eller oscillation under tillväxtprocessen. Det enklaste sättet att visualisera detta är att föreställa sig en mycket tunn airhockeypuck men med ena sidan av spelytan lite varmare; Pucken skulle fortfarande flyta, men driva eller luta mot den kallare sidan av ytan. Ett liknande koncept gäller för tillväxtkammaren. Under den faktiska produktionen kommer detta att synas som variationer i tjockleken från kant till centrum på wafers, och/eller små förändringar i uppriktningen efter långa körningar. Ett fabriksteam hade upplevt något instabil epitaxitillväxt efter att ha utfört underhåll och upptäckte genom inspektion att en modifiering hade gjorts av kammarens värmeprofil; de förskjutit den varma zonen något, vilket förhindrade att gasen som nivellerar skivan fungerade som den skulle med den ojämna värmen.

För att minimera instabiliteten hos den svävande skivan kommer operatörer i allmänhet att vara uppmärksamma på tre huvudsakliga saker: de matchande profilerna hos värmeelementen, ett jämnt gasflöde på baksidan och eventuella förändringar i slitaget på kammarens O-ring och på skivans yta.

Optimering av gasdrivna flytande skivor för långsiktig termisk tillförlitlighet

Att designa en gasflytande skiva för användning under många cykler i ett epitaxiverktyg handlar mestadels om termisk prestanda. Den måste inte bara fungera vid höga temperaturer, utan också efter hundratals till tusentals körningar, utan att långsamt förlora sin planhet. Materialval är avgörande här. Substratmaterialet måste kunna genomgå termisk cykling utan att generera en stor spänningsprofil över tid. Spänningarna kommer att ackumuleras om materialet har höga koefficienter och genomgår snabba termiska cykler. Substratets termiska expansion måste också vara väl anpassad till överbeläggningen. I en fabrikationsmiljö kommer även mindre termiska skillnader mellan material att ackumuleras över tid och skivan kommer att deformeras, även om den initialt kan se bra ut. Överbeläggningsdesign är lika viktig. En jämn CVD TaC-beläggning över skivan hjälper den att absorbera värme jämnt över ytan. Om beläggningen har varierande tjocklek kommer den att ha olika termiska reaktionshastigheter över ytan, vilket skapar termiskt inducerad spänning som kommer att deformera skivan över tid. Man tror att detta kan inträffa under långa serier i vissa produktionsteam, eftersom skivorna långsamt övergår från platt till kupolform. Geometriska egenskaper är också mycket kritiska. Eventuella avvikelser i hålmönstret, kanttjockleken, stödområdena och andra egenskaper kan variera gasflödets beteende under skivan. Ojämnt flöde kan få skivan att lyfta ojämnt under processförhållanden, vilket genererar extra spänningar under termisk cykling, vilket accelererar slitage. Ett exempel på en förbättrad design som arbetar under termisk spänning sågs på en SiC-epitaxilinje; innan de bytte till en uppdaterad skivdesign hade de betydande utjämningsdrift efter långa serier. Vid byte till en skiva med optimerade flödeskanaler minskade driften, eftersom skivans lyftprofil bibehölls mer exakt under hela driften, vilket bekräftades av långsiktiga underhållskontroller av både ursprungliga och uppgraderade skivor. Termisk tillförlitlighet beror också på kylegenskaperna. Om skivan inte kyls jämnt kan detta "låsa in" spänningen och som ett resultat orsaka ytterligare försämring under cykling. I huvudsak uppnås långsiktig planhet genom att uppnå en balans mellan material- och beläggningsprestanda och det designade gasflödet genom skivan.