Miks on SiC-keraamilised vahvlipaadid pooljuhtide difusioon- ja oksüdatsiooniahjude jaoks olulised?

Kuna pooljuhtide tootmisprotsessid arenevad jätkuvalt suuremate kiipide suuruste, rangemate soojuseelarvete ja madalamate defektitolerantside suunas, on kõrgtemperatuursetes protsessiseadmetes kasutatavad materjalid muutunud üha olulisemaks. Nende oluliste tarbekaupade ja konstruktsioonielementide hulgas on ränikarbiidist (SiC) keraamilised kiibialused kujunenud üheks olulisemaks tänapäevaste difusiooni- ja oksüdatsiooniahjude süsteemide võimaldavaks tehnoloogiaks.

Täiustatud pooljuhtide tootmiskeskkondades mõjutavad need otseselt termilist ühtlust, osakeste teket, vahvli pingejaotust, protsessi stabiilsust ja lõppkokkuvõttes seadme saagist.

Eriti 300 mm vahvlite tootmises, võimsuspooljuhtide tootmises ja kolmanda põlvkonna pooljuhtide tootmises asendavad ränikarbiidist keraamilised vahvlipaadid oma suurepäraste termiliste ja mehaaniliste omaduste tõttu kiiresti traditsioonilisi kvartsil põhinevaid kandesüsteeme.

Mis on ränikarbiidist keraamiline vahvlipaat?

Ränikarbiidist keraamiline vahvlipaat on kõrgtemperatuuriline vahvlit kandev struktuur, mis on valmistatud täiustatud ränikarbiidipõhisest keraamikast. Selle peamine eesmärk on mitme pooljuhtvahvli ohutu toetamine ja transportimine vertikaalsete või horisontaalsete ahjusüsteemide kaudu kuumtöötlustoimingute ajal.

Tüüpiline kiibipaat sisaldab mitut täppiskonstruktsiooniga kiibipesa, mis on loodud säilitama töötlemise ajal kiipide täpselt kontrollitud vahekauguse. Sõltuvalt rakendusest võib konstruktsioon sisaldada ka tugitalasid, konsoolvardaid, õhuvoolule optimeeritud geomeetriat ja kergeid tugevdussektsioone, mis on loodud termilise massi minimeerimiseks.

Pooljuhtide ahjusüsteemides toimivad vahvlipaadid tõhusalt vahvlite ja termilise töötluskeskkonna vahelise liidesena. Kuna seadmete mõõtmed kahanevad edasijõudnud tehnoloogiliste sõlmede suunas, võivad isegi vahvli tugistruktuuri mikroskoopilised ebastabiilsused mõjutada protsessi korduvust ja defektide esinemist.

See on üks põhjusi, miks edasijõudnud ahjutootjad võtavad traditsiooniliste sulatatud kvartsist süsteemide asemel üha enam kasutusele kõrge puhtusastmega ränikarbiidist keraamilisi komponente.

Rollsdifusioon- ja oksüdatsiooniahjusüsteemides

Difusioon ja oksüdatsioon on pooljuhtide tootmises endiselt ühed kõige põhilisemad termilised protsessid. Neid protsesse kasutatakse laialdaselt legeeriva aine aktiveerimiseks, termilise oksiidi kasvatamiseks, lõõmutamiseks, sissejuhatava difusiooni ja dielektrikute moodustamiseks.

Tüüpilised töötemperatuurid jäävad vahemikku ligikaudu 900 °C kuni 1200 °C, olenevalt protsessi keemiast ja seadme nõuetest. Mõnedes täiustatud võimsuspooljuhtide või SiC-seadmete rakendustes võivad termilised tsüklid ületada 1300 °C.

Nendes tingimustes peab vahvlipaat säilitama mõõtmete stabiilsuse pikemate termiliste tsüklite jooksul, minimeerides samal ajal saastumist ja säilitades vahvlite ühtlase vahekauguse.

Traditsioonilisi kvartsist vahvelpaate on difusioonahjudes pikka aega kasutatud nende kõrge puhtuse ja suhteliselt madala hinna tõttu. Kvartsmaterjalidel on aga suhteliselt madal soojusjuhtivus – toatemperatuuril tavaliselt umbes 1,4 W/m·K.

Võrdluseks, ränikarbiidist keraamika soojusjuhtivuse väärtused jäävad vahemikku umbes 120–200 W/m·K, olenevalt klassist ja mikrostruktuurist.

See dramaatiline erinevus parandab oluliselt temperatuuri ühtlust kogu ahju koormuse ulatuses.

Suurem soojusjuhtivus võimaldab:

● Ühtlasem vahvli kuumutamine

● Väiksemad termilised gradiendid

● Parem vahvli omavaheline konsistents

● Väiksem termilise pinge akumuleerumine

● Vähendatud servaefektid oksüdeerumise või difusiooni ajal

Täiustatud pooljuhtide tootmises, kus protsessiaknad pidevalt kitsenevad, mõjutavad need täiustused otseselt kile ühtlust ja elektrilise jõudluse järjepidevust.

SiC-kiibilaevad pakuvad ka oluliselt suuremat mehaanilist jäikust võrreldes kvartsstruktuuridega. See muutub üha olulisemaks vertikaalsetes ahjusüsteemides, mis töötlevad suuri 300 mm kiipide partiisid, kus laeva pikkus ja mehaaniline koormus võivad muutuda oluliseks.

Väiksem deformatsioon aitab säilitada täpset kiipide vahekaugust ja stabiilset gaasivoolu käitumist kogu termilise tsükli vältel.

Ränikarbiidist keraamiliste vahvlipaatide peamised füüsikalised omadused

Ränikarbiidist vahvlipaatide kasvav populaarsus tuleneb peamiselt ränikarbiidkeraamika ainulaadsest termiliste, mehaaniliste ja keemiliste omaduste kombinatsioonist.

Peamised füüsikalised omadused

Need omadused võimaldavad ränikarbiidist keraamilistel struktuuridel säilitada mõõtmete stabiilsust pikaajalise termilise tsükli ajal, samas kui traditsioonilised kvartsist komponendid võivad hakata pehmenema või deformeeruma.

Ränikarbiidi kõrge jäikus vähendab ka vibratsiooni ja mehaanilist ebastabiilsust vahvlite laadimise ja mahalaadimise ajal ahjus.

Ränikarbiidist vahvlipaatide peamised materjalitüübid

Kaasaegseid ränikarbiidist vahvlipaate toodetakse mitmesuguste materjalitehnoloogiate abil, millest igaüks on optimeeritud konkreetsete protsessikeskkondade ja kulutõhususe nõuete jaoks.

Rekristalliseerunud ränikarbiidi (RSiC) kasutatakse laialdaselt kõrgtemperatuurilistes ahjudes tänu oma suurepärasele puhtusele ja termilisele stabiilsusele. RSiC tootmisprotsess ei nõua märkimisväärse koguse paagutamise abiainete lisamist, mis aitab minimeerida saastumise ohtu pooljuhtide keskkonnas.

Reaktsioonpaagutatud ränikarbiid (RBSC või RBSiC) pakub suuremat mehaanilist tugevust ja madalamaid tootmiskulusid. Siiski võib struktuuris olev vaba räni vähendada selle korrosioonikindlust teatud söövitavates protsessikeskkondades.

Täiustatud pooljuhtide rakendustes on üha tavalisemad CVD ränikarbiidiga kaetud grafiidisüsteemid. Nendes struktuurides pakub grafiidist aluspind kerget mehaanilist tuge, samas kui kõrge puhtusastmega keemilise aurustamise (CVD) ränikarbiidist kate moodustab protsessiliidese.

CVD ränikarbiidist katetel on äärmiselt madal osakeste tekkimise kiirus ja erakordne puhtus, mis muudab need eriti atraktiivseks täiustatud loogika- ja võimsuspooljuhtide tootmiseks. Siiski tuleb katte terviklikkust ja soojuspaisumistegurite erinevust hoolikalt kontrollida, et vältida pragunemist või kihistumist korduva termilise tsükleerimise ajal.

Levinud protsessiprobleemid

Vaatamata ränikarbiidist keraamiliste vahvlipaatide jõudluse eelistele, seisavad nad tegelikes pooljuhtide tootmiskeskkondades silmitsi arvukate tehniliste väljakutsetega.

Osakeste saastumine on endiselt üks kriitilisemaid probleeme. Seadmete suuruse vähenedes muutuvad osakeste põhjustatud saagikuse kadud üha tõsisemaks. Isegi mikropragudest, katte delaminatsioonist või pinna lagunemisest tingitud submikronisuurused prahid võivad täiustatud vahvlitel põhjustada surmavaid defekte.

Termiline pingepragunemine on veel üks pikaajaline probleem. Kuigi ränikarbiidil on suurepärane termiline stabiilsus, on see siiski suhteliselt habras keraamiline materjal. Kiire kuumutamine või lokaalne temperatuuri ebaühtlus võib põhjustada pragusid konstruktsiooni nurkades, vahvli soontes või talade ristumiskohtades.

Pikaajaline termiline tsükkel võib samuti põhjustada järkjärgulist deformatsiooni või roomamist, eriti vertikaalsetes ahjusüsteemides kasutatavate suurte vahvlipaatide puhul. Isegi väikesed geomeetrilised muutused võivad muuta vahvlite vahekaugust ja gaasivoolu ühtlust, mõjutades seeläbi oksiidi paksuse kontrolli ja legeeriva aine jaotuse järjepidevust.

CVD-katte delaminatsioon on kaetud SiC-süsteemide teine ​​​​kriitiline töökindluse probleem. Kuna grafiidist aluspinnal ja SiC-kattel on erinevad soojuspaisumisomadused, viib korduv kõrge temperatuuri tsükkel lõpuks pingete akumuleerumiseni liidesel.

Kokkuvõte

Pooljuhtide difusiooni- ja oksüdatsiooniahjusüsteemides mängivad ränikarbiidist keraamilised vahvlipaadid kriitilist rolli termilise stabiilsuse säilitamisel, saastumise kontrollimisel ja protsessi ühtluse tagamisel äärmiselt karmides töötingimustes. Nende kõrge soojusjuhtivus, suurepärane mehaaniline jäikus, kõrge temperatuuritaluvus ja keemiline stabiilsus muudavad need täiustatud pooljuhtide tootmises üha asendamatumaks.

Kuna pooljuhtide protsessitehnoloogiad arenevad pidevalt ja muutuvad üha keerukamaks ning defektide kontrolli nõuded muutuvad üha rangemaks, kasvab täiustatud keraamiliste vahvlikandjate süsteemide tähtsus ainult. Kaasaegsetes tehastes saab paljud osakeste kontrolli, termilise ühtluse ja töökindlusega seotud väljakutsed lõppkokkuvõttes taandada termilise tsüklilise käitumise, materjali stabiilsuse ja vahvlikandjate süsteemi konstruktsiooni vahelisele koosmõjule.

Seetõttu arenevad ränikarbiidist keraamilised vahvlipaadid kiiresti abiahju riistvarast järgmise põlvkonna pooljuhtide tootmise kriitilisteks komponentideks.