Grafitové krúžky potiahnuté pyrolytickým uhlíkom (PyC): Zlepšenie spoľahlivosti pri výrobe polovodičov pri vysokých teplotách

Tlak na väčšie doštičky, stále vyššie výkonové hustoty a zložitejšie procesné sekvencie kladú bezprecedentné požiadavky na materiály používané vo vnútri zariadení na výrobu polovodičov. Komponenty, ktoré sú umiestnené vo vnútri reaktorov a tepelných systémov, teraz musia vydržať extrémne teploty, agresívne chemické atmosféry a opakované tepelné cykly – to všetko pri zachovaní prísnych rozmerových tolerancií a prakticky neuvoľňujú žiadne nečistoty.

Medzi pokrokovými materiálovými riešeniami, ktoré sa objavili na splnenie týchto výziev, získali obzvlášť silnú pozíciu grafitové krúžky potiahnuté pyrolytickým uhlíkom (PyC). Teraz sú široko špecifikované pre rast kryštálov karbidu kremíka, epitaxné nanášanie, CVD procesy a iné vysokoteplotné tepelné úpravy. V spoločnosti Vetek Semiconductor sme svoje úsilie v oblasti výskumu a vývoja zamerali na technológie povrchovej úpravy pyrolytického uhlíka, ktoré pomáhajú továrňam dosahovať stabilnejšie procesy, dlhšiu životnosť dielov a nižšie celkové prevádzkové náklady.

Prečo nechránený grafit v dnešných procesoch zaostáva?

Grafit je už dlho ťažným materiálom pre polovodičové tepelné systémy vďaka svojej dobrej tepelnej vodivosti, nízkej hmotnosti a schopnosti zvládať extrémne vysoké teploty. Samotný grafit ho však pre mnohé dnešné pokročilé procesy už nereže.

Vezmime si napríklad rast SiC PVT kryštálov, MOCVD epitaxiu, CVD depozíciu, difúzne a oxidačné kroky alebo vysokoteplotné žíhanie. V každom z nich sú grafitové komponenty bežne vystavené podmienkam, ktoré zahŕňajú teploty nad 1500 °C, vodík, amoniak, plyny obsahujúce chlór a časté tepelné cykly hore a dole. V priebehu času neošetrený grafit začína vykazovať povrchovú eróziu, odlupovanie častíc, chemické napadnutie, zhoršenú tepelnú rovnomernosť a výrazne kratšiu životnosť. Dokonca aj malé častice vytvorené počas spracovania môžu pristáť na plátkoch a poškodiť výnos.

Práve preto sa pokročilá povrchová ochrana stala neoddeliteľnou súčasťou modernej výroby polovodičov.

Čo je to vlastne pyrolytický uhlíkový povlak?

Pyrolytický uhlíkový povlak sa vyrába pomocou špeciálnej chemickej depozície z plynnej fázy (CVD), pri ktorej sa hustá, vysoko usporiadaná uhlíková vrstva nanáša na vysoko čistý grafitový substrát. To, čo odlišuje PyC od bežných uhlíkových povlakov, je jeho dobre usporiadaná mikroštruktúra, ktorá sa premieta do výnimočného tepelného, ​​mechanického a chemického výkonu.

Vo Vetek Semiconductor sú naše pyrolytické uhlíkové povlaky navrhnuté tak, aby poskytovali niekoľko praktických výhod:

• Vysoká čistota – celkové nečistoty sú udržiavané pod 20 ppm, s vynikajúcou plynotesnosťou, vďaka čomu je povlak vhodný do ultračistého prostredia polovodičov.
• Vynikajúca tepelná stabilita – náter zostáva stabilný pri ultra vysokých teplotách; v skutočnosti sa jeho mechanická pevnosť v skutočnosti zvyšuje so stúpajúcou teplotou, so špičkovým výkonom okolo 2750 °C a bodom sublimácie až do 3600 °C.
• Vynikajúca odolnosť voči teplotným šokom – vďaka nízkemu koeficientu tepelnej rozťažnosti, vysokej tepelnej vodivosti a nízkemu modulu pružnosti odoláva PyC veľmi dobre rýchlym teplotným zmenám.
• Široká chemická stabilita – odoláva kyselinám, zásadám, soliam, organickým činidlám a dokonca aj roztaveným kovom.
• Ultra nízke odplyňovanie – pri teplote okolo 1800 °C dokáže PyC udržať úroveň vákua približne 10⁻⁷mmHg bez výrazného uvoľňovania plynu.

Všetky tieto vlastnosti robia z grafitu s povlakom PyC spoľahlivú voľbu pre najtvrdšie polovodičové aplikácie.

Kde sa najviac používajú krúžky potiahnuté pyrolytickým uhlíkom?

1. Rast kryštálov SiC pomocou PVT

Fyzikálny transport pár je pravdepodobne jedným z najnáročnejších procesov vo svete polovodičov s typickými prevádzkovými teplotami v rozsahu 2300-2500 °C. Grafitové krúžky potiahnuté PyC sa bežne používajú v systémoch tepelného poľa, susceptoroch, téglikoch, tepelných štítoch a štrukturálnych podperách. Používatelia uvádzajú nižšie riziko kontaminácie, konzistentnejšie tepelné polia, dlhšiu životnosť komponentov a stabilnejšie podmienky rastu kryštálov. V niektorých prípadoch výrobcovia zaznamenali o 15 – 20 % vyššiu účinnosť rastu a výťažnosť plátkov nad 90 %.

2. Polovodičová epitaxia (SiC a GaN)

Pre epitaxný rast je pre kvalitu filmu absolútne rozhodujúca teplotná jednotnosť na plátku. Grafitové časti potiahnuté PyC pomáhajú vytvárať stabilnejšie rastové prostredie tým, že poskytujú rovnomerné rozloženie tepla a znižujú tvorbu častíc. Prínosom je lepšia konzistencia procesu, hustota defektov len 0,05 defektov/cm² a zlepšená rovnomernosť plátku k plátku, čo všetko sa priamo premieta do vyššieho výťažku výroby.

3. Vysokoteplotná difúzia a oxidácia

Tieto potiahnuté krúžky sú tiež široko používané v difúznych peciach, oxidačných peciach a žíhacích systémoch. Ich silná odolnosť voči teplotným šokom im umožňuje prežiť opakované cykly zahrievania a chladenia s minimálnou degradáciou. V praxi sa intervaly údržby môžu často predĺžiť z troch mesiacov na šesť mesiacov, čo zvyšuje dostupnosť zariadení a znižuje prestoje.

Pyrolytický uhlík verzus iné technológie polovodičového povlaku

Rôzne procesy vyžadujú rôzne riešenia povrchovej úpravy, a preto Vetek Semiconductor ponúka celý rad pokročilých technológií, ktoré zodpovedajú špecifickým prevádzkovým prostrediam.

CVD SiC povlak ponúka čistotu až 99,99999 %, vynikajúcu chemickú odolnosť, nízku tvorbu častíc a dlhú životnosť. Bežne sa používa v SiC a GaN epitaxii, MOCVD reaktoroch a PECVD systémoch.

Povlak CVD TaC poskytuje vynikajúcu odolnosť proti oxidácii, vynikajúcu stabilitu pri vysokých teplotách a vynikajúcu odolnosť proti opotrebovaniu, vďaka čomu je vhodnou voľbou pre rast monokryštálov SiC a výrobu polovodičov tretej generácie.

Tým, že ponúkame viacero možností povrchovej úpravy, umožňujeme zákazníkom vybrať si najvhodnejší materiál pre každý konkrétny krok v ich procese.

Čo prináša Vetek Semiconductor z hľadiska výroby?

Výroba spoľahlivých polovodičových súčiastok nie je len o pokročilých materiáloch – závisí aj od presného obrábania a prísnej kontroly kvality. Vetek Semiconductor prevádzkuje integrovanú výrobnú platformu, ktorá zahŕňa čistenie materiálu, presné CNC obrábanie, povlak pyrolytického uhlíka, povlak CVD SiC, povlak CVD TaC a komplexnú kontrolu.

Naše presné obrábanie drží rozmerové tolerancie až do ±3 μm a dokážeme zvládnuť zložité geometrie. Máme tiež veľkú spracovateľskú kapacitu: súčiastky do priemeru 2000 mm a výšky 2000 mm sú v rámci našich možností. Celá výroba prebieha pod prísnym riadením kontaminácie podľa protokolov čistoty polovodičovej kvality.

Naše komponenty sú navrhnuté ako náhradné diely pre hlavné platformy zariadení, vrátane tých od Applied Materials, Lam Research, Veeco, Aixtron, ASM, TEL a LPE, takže zákazníci môžu upgradovať bez výrazných úprav zariadenia.

Dlhodobá hodnota pokročilých náterov

Zníženie celkových nákladov na vlastníctvo je prioritou v celom odvetví a pokročilé technológie povrchovej úpravy prinášajú merateľné výnosy. Používatelia zvyčajne vidia až o 40 % nižšie náklady na spotrebný materiál, o 15 – 20 % vyššiu účinnosť rastu kryštálov, predĺžené intervaly údržby, skrátenie prestojov zariadení, zlepšenú výťažnosť plátkov a dlhšiu životnosť komponentov.

Ako sa výroba polovodičov posúva smerom k väčším SiC doštičkám, zariadeniam s vyšším výkonom a stále náročnejším tepelným prostrediam, význam povrchového inžinierstva bude len rásť. Grafitové krúžky potiahnuté pyrolytickým uhlíkom spolu s technológiami CVD SiC a CVD TaC zohrávajú čoraz ústrednejšiu úlohu pri budovaní efektívnejších, spoľahlivejších a škálovateľnejších výrobných systémov.

O spoločnosti Vetek Semiconductor

Vetek Semiconductor sa špecializuje na pokročilé materiály a technológie povrchovej úpravy pre vysokoteplotnú výrobu polovodičov. Naše produktové portfólio zahŕňa povlak pyrolytický uhlík (PyC), povlak CVD karbid kremíka (SiC), povlak CVD karbid tantalu (TaC), vysoko čisté grafitové komponenty, pevné CVD SiC komponenty a kompletné riešenia tepelných polí. Spojením odborných znalostí v oblasti materiálovej vedy, presnej výroby a hlbokých znalostí procesov poskytujeme spoľahlivé riešenia pre výrobu polovodičov novej generácie.