Förbättra epitaxiell waferuniformitet via gasfloatdiskdesign

Små förändringar i hårdvaran kan innebära stora förändringar i waferkvaliteten i epitaxiella waferprocesser. Gasfloatskivan är en del som ofta glöms bort. Ett tunt lager gas används för att styra positioneringen och bearbetningen av Sic epitaxiell wafer , på ett kontrollerat sätt. Om designen är obalanserad kommer wafern att luta något eller ha obalanserat gastryck. Detta leder till ojämn waferyta. Gasflytskivan kan omdesignas för att ge waferna mer stabilitet och jämnhet, för att uppmuntra en jämn tillväxt av lagren och för att uppnå en bättre enhetlighet från kant till centrum.

Gasflödesdynamik i flytande gasskivor

Balans är nyckelordet för gasflöde genom det flytande skivsystemet. Skivan ligger på ett tunt lager gas, och denna kudde är beroende av den jämnt fördelade gasen över skivans yta. Skivan är platt och stabil. Epitaxiell tillväxt av kisel när flödet är jämnt och stabilt. När flödet blir turbulent börjar problem uppstå på waferns yta. I faktiska tillverkare kan ingenjören upptäcka att små förändringar i gasinloppstrycket orsakar förändringar i waferns beteende. I en reaktor som utför kiselepitaxi kan till exempel en kanal vara något blockerad, vilket höjer ena sidan av wafern i förhållande till den andra. Den ojämna lyftningen kan orsaka tjockleksskillnader mellan vänster och höger sida av wafern. Vid deponeringsnivån kan även en mycket subtil skillnad manifestera sig i ett synligt mönster. Gashastighet är också en faktor. Om gasen kommer in för snabbt på ett ställe kommer den att trycka upp wafern till den lokala nivån. Om den är för långsam på något annat område kan wafern landa något. Båda situationerna orsakar en ojämn separation mellan wafern och skivytan. När det gapet inte är konsekvent kommer det också att bli ojämn värmeöverföring och materialdeponering. En effektiv metod för att hantera detta är att regelbundet inspektera gaskanaler för uppbyggnad och att hålla dem rena. Rutinmässig flödeskartläggning används i många fabriker för att visualisera hur gasen flödar över skivan. De jämför trycket vid olika punkter och söker efter obalans i ett tidigt skede innan det påverkar produktionen. Vissa gör också ändringar i inloppsdesignen för att uppnå en jämnare flödesfördelning än bara ett enda inlopp. En annan användbar sak är att observera systemets beteende över tid, utöver att bara starta. Ett stabilt system vid rumstemperatur kanske inte är stabilt under långa körningar vid högre temperatur. Flödesmönstren ändras vid små förändringar i gasdensitet vid hög temperatur. Om gasflödet förblir jämnt fungerar den flytande skivan mer som en stabil plattform. Skivan är platt och Epitaxiellt lager är mindre benägen för variationer från centrum till kant.

Designoptimering för enhetlig värmeöverföring

Den enhetliga värmeöverföringen i epitaxiella system påverkas starkt av gasflottörskivans design. Skivan tjänar inte bara till att hålla kvar skivan utan också till att underlätta den efterföljande manipulationen av den. Den påverkar också värmetransporten över ytan under bearbetning. Ett av de vanligaste problemen i verklig drift är de ojämna kyl-/värmeområdena under skivan. När gaskanalerna i skivan är felaktigt konstruerade får vissa delar av skivan mer gasflöde och andra mindre gasflöde. Detta resulterar i små temperaturgradienter över skivan. Några grader kan göra all skillnad för avsättningshastigheten i det området. Till exempel, i högvolyms kiselkarbid-epitaxiverktyg är det möjligt att se en praktisk tillämpning. Det finns vissa produktionsserier som uppvisar tjockare film vid skivans kant. När ingenjörer har inspekterat upptäcker de ofta att gasflödet runt utsidan är tillräckligt för att öka kyleffekten vid kanterna, men inte är tillräckligt för att ge tillräcklig kylning i mitten. Detta resulterar i obalanserad tillväxt. Ett enkelt sätt att göra detta är att modifiera kanallayouten i gasflottörskivan. Ett antal små inlopp kan användas för att ge en mer jämn gasfördelning. Detta kan bidra till att minimera temperaturgradienterna. En annan viktig faktor är ytans planhet. I små områden är det möjligt att det finns mikronstora skevheter på skivans yta, vilket gör att gaserna förskjuts och värmeöverföringen förändras. Materialtypen är också en faktor. Det finns vissa beläggningar som fördelar värme jämnare och långsammare än rå grafit, särskilt vid långa serier. Förutsägbart termiskt beteende från sats till sats bibehålls med en stabil yta. Systemets beteende efter upprepade cykler observeras också. Med tiden kan små avlagringar eller slitage göra att gasvägarna blockeras något. Genom regelbunden rengöring och inspektion bibehålls värmeöverföringen. Dessa faktorer tillsammans resulterar i ett mer enhetligt termiskt fält för skivan. Detta resulterar i mer enhetliga epitaxiella lager och färre skillnader vid övergången från kant till centrum.

Inverkan av CVD SiC-beläggningsyta på gasdistribution

En av de främsta anledningarna till att ytan på en CVD SiC-beläggning är viktigare för gasfördelningen än många inser är att vid första anblicken verkar beläggningen slät och enhetlig. Under processförhållanden kan dock även de minsta ytegenskaperna förändra transporten av gasflödet över gasfloatskivan och runt wafern. Gasflödet är mycket känsligt för friktionen vid ytan i systemet. En slätare SiC-beläggning ger en jämn gasfördelning, och en grövre yta gör att gasen rör sig långsammare i vissa områden och snabbare i andra. Dessa små tryckskillnader under wafern kommer att bero på den ojämna rörelsen. Dessa skillnader kan manifesteras i form av ojämn filmtjocklek över tid. Detta är tydligt i faktiska produktionstillämpningar när deponeringskörningen är lång. I en epitaxilinje med flera wafers i en sats observerade till exempel ingenjörer att wafers på ena sidan av susceptorn växte med något olika hastigheter. Efter inspektion upptäcktes det att orsaken till problemet var mycket fina repor på ytan av CVD SiC-beläggningen. Märkena syntes inte förrän vid en snabb inspektion, men de orsakade en störning i det lokala gasflödet. En annan aspekt att övervaka är ytenergin. En bra SiC-beläggning säkerställer att gasflödet är mer stabilt eftersom det minimerar slumpmässig klibbning eller turbulens runt ytan. Om det finns några mikrodefekter eller ojämna korn i ytbeläggningen kommer gasen att kunna flöda runt dem och skapa små virvlande områden. Även om dessa till synes är obetydliga, orsakar de att tryckfördelningen under den flytande skivan blir ojämn. Rengöring och underhåll är också viktigt. Med tiden kan rester täcka SiC-ytan. Ett tunt lager avlagring kommer att förändra hur gasen flödar över skivan. Rengöring hjälper till att bibehålla ett nära mönster till den ursprungliga designen. En stabil CVD SiC-beläggningsyta underlättar en jämn fördelning av gasen, vilket sedan bidrar till en jämn fördelning av wafern under bearbetningen. Om det inte finns någon obalans i gasflödet kommer det epitaxiella lagret att växa med färre regionala variationer, och kvaliteten på den slutliga wafern blir mer enhetlig över hela ytan.

Applikation i AMAT Centura5200 och avancerade epitaxiverktyg

Designen av gasflottskivor blir en viktig komponent för att upprätthålla waferkvalitetens stabilitet i avancerade epitaxisystem som AMAT Centura5200. Processfönstren på dessa plattformar är mycket smala och processförändringar på grund av flöde eller temperatur kommer att vara tydliga mycket snart på waferns yta. Detta styrsystem balanseras av gasflottskivan som är placerad i mitten. Centura5200-system har en kammare som är utformad för att vara repeterbar. Även med en dåligt fungerande gasflottskiva märker operatörerna fortfarande variationen. Ett typiskt exempel är waferns lilla ojämnhet i kanten. Hela mitten kan vara välformad, och kanterna kan vara tjockare eller tunnare. Detta beror ofta på obalans i gastrycket under skivan eller liten flödesobalans runt stödkanalerna. Detta liknar det för avancerade epitaxiverktyg som finns tillgängliga från andra plattformar. Gas behöver flöda genom mer komplicerade vägar i system med flera wafers eller högkapacitetssystem. Om ett beläggningsbyte är ojämnt på ytan av flottskivan, eller om ytan är ojämnt sliten, kan gas flöda från ett område med mindre motstånd till ett område med större motstånd. Detta flyttar wafern något, tillräckligt för att påverka mängden värmeexponering medan wafern växer. Ingenjörerna som utvecklar dessa system tenderar att tänka på att optimera skivdesignen med förhållandena i processen. Till exempel kan ett recept som har ett större antal temperatursteg kräva en jämnare SiC-belagd yta på en skiva för att förhindra lokal turbulens. Processer med lägre temperatur kan å andra sidan ha lite mer spelrum när det gäller ytstruktur men kräver fortfarande bra flödeskanaler. Den andra praktiska punkten är systemets åldrande. Väl utformade Centura5200-kamrar kommer att fungera över tid, men om de avviker från sin ursprungliga prestanda kan de bli problematiska. Flödessymmetrin förändras långsamt över tid eftersom det finns små avlagringar på gasfloatskivan eller förändringar i beläggningens tillstånd. Dessa förändringar kan upptäckas tidigt om de inspekteras regelbundet innan de blir regelbundna wafervariationer. Vid arbete ute i fält är målet: att bibehålla waferns stabilitet, att hålla gasrörelsen jämn över wafern och att undvika lokala stresspunkter. Med korrekt drift av gasflottörskivan kan AMAT Centura5200 och liknande epitaxiverktyg ha utmärkt enhetlighet över långa produktionsserier med färre överraskningar mellan batcherna.

Underhålls- och reparationsstrategier för långsiktig stabilitet

En av de mest effektiva metoderna för att säkerställa att wafers blir jämna över tid är att hålla en gasfloat-skiva i gott skick. Prestandaavvikelser sker dock vanligtvis inte i ett enda slag. De ackumuleras gradvis och orsakas av beläggningsslitage, gasrester och små förändringar i ytbeskaffenheten. De flesta stabilitetsproblemen kan hanteras om de upptäcks tillräckligt tidigt och påverkar inte utbytet. Ytrenhet är en av de första kontrollerna som ingenjörer gör. Gasspridningen under skivan förändras även om det finns ett tunt lager av processrester. Detta leder till ojämn lyftning och/eller waferlutning under epitaxi. Regelbunden rengöring hjälper, men det viktiga är att vara konsekvent. Även efter några cykler är det möjligt att upptäcka förändringar i flödet av känsliga processer. En annan viktig faktor är beläggningsförhållandena. Även om en CVD SiC-belagd skiva kan verka perfekt, kan den faktiskt vara i färd med att utveckla ett mikroslitage på skivans yta. Det är dessa små variationer som kan störa gasernas vägar. I vissa typer av produktion använder teknikerna en referensytprofil för att identifiera tidiga tecken på slitage på de använda skivorna. Detta kan användas för att avgöra om rengöring eller reparation krävs. Typiska reparationsmetoder handlar om att återställa ytjämnhet och läckage av mindre defekter. Gasen kan återställas till ett enhetligt beteende genom lätt polering eller ombeläggning. I mer allvarliga fall kan det vara nödvändigt att byta ut skivan eller en del av skivan, eller byta ut nyckeldelar. Målet är inte bara att reparera den synliga skadan, utan att återställa en jämn fördelning av gaser över hela ytan. Som en del av det regelbundna underhållet inspekteras gaskanaler. Tryckobalans kan förändras gradvis över tid när kanalen är delvis eller helt blockerad. Även en liten blockering i sådana verktyg kan skapa variationer från kant till centrum på wafers i verktyg med långa deponeringscykler. Dessa problem kan upptäckas tidigt under en enkel luftflödeskontroll vid driftstopp.