เหตุใดถาดเซรามิก SiC สำหรับแผ่นเวเฟอร์จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับเตาเผาแบบแพร่กระจายและออกซิเดชันของสารกึ่งตัวนำ

เนื่องจากกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์มีการพัฒนาอย่างต่อเนื่องไปสู่ขนาดเวเฟอร์ที่ใหญ่ขึ้น งบประมาณด้านความร้อนที่เข้มงวดมากขึ้น และความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้ต่ำลง วัสดุที่ใช้ภายในอุปกรณ์กระบวนการอุณหภูมิสูงจึงมีความสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ ในบรรดาวัสดุสิ้นเปลืองและส่วนประกอบโครงสร้างที่สำคัญเหล่านี้ เรือเวเฟอร์เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ได้กลายเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีสำคัญที่ช่วยให้ระบบเตาเผาแบบแพร่กระจายและออกซิเดชันสมัยใหม่สามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ในสภาพแวดล้อมการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ขั้นสูง ปัจจัยเหล่านี้ส่งผลโดยตรงต่อความสม่ำเสมอของอุณหภูมิ การสร้างอนุภาค การกระจายความเค้นของเวเฟอร์ ความเสถียรของกระบวนการ และท้ายที่สุดคือผลผลิตของอุปกรณ์

โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการผลิตเวเฟอร์ขนาด 300 มม. การผลิตเซมิคอนดักเตอร์กำลัง และการผลิตเซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม เรือรองรับเวเฟอร์เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์กำลังเข้ามาแทนที่ระบบรองรับแบบดั้งเดิมที่ใช้ควอตซ์อย่างรวดเร็ว เนื่องจากมีคุณสมบัติทางความร้อนและเชิงกลที่เหนือกว่า

เรือเวเฟอร์เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์คืออะไร?

แท่นวางเวเฟอร์เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์เป็นโครงสร้างสำหรับลำเลียงเวเฟอร์ที่ทนต่ออุณหภูมิสูง ผลิตจากเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ขั้นสูง วัตถุประสงค์หลักคือเพื่อรองรับและขนส่งเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์หลายแผ่นอย่างปลอดภัยผ่านระบบเตาอบแนวตั้งหรือแนวนอนในระหว่างกระบวนการอบชุบความร้อน

โดยทั่วไปแล้ว แท่นวางเวเฟอร์จะมีช่องเวเฟอร์ที่ได้รับการออกแบบอย่างแม่นยำหลายช่อง เพื่อรักษาระยะห่างระหว่างเวเฟอร์ให้มีความแม่นยำสูงในระหว่างกระบวนการผลิต ทั้งนี้ ขึ้นอยู่กับการใช้งาน โครงสร้างอาจรวมถึงคานรองรับ แขนยื่น รูปทรงที่ปรับให้เหมาะสมกับการไหลของอากาศ และส่วนเสริมแรงน้ำหนักเบาที่ออกแบบมาเพื่อลดมวลความร้อนให้เหลือน้อยที่สุด

ในระบบเตาเผาเซมิคอนดักเตอร์ เรือวางเวเฟอร์ทำหน้าที่เป็นส่วนเชื่อมต่อระหว่างเวเฟอร์กับสภาพแวดล้อมการประมวลผลทางความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพ เมื่อขนาดของอุปกรณ์เล็กลงเรื่อยๆ ไปสู่เทคโนโลยีขั้นสูง แม้แต่ความไม่เสถียรในระดับจุลภาคภายในโครงสร้างรองรับเวเฟอร์ก็อาจส่งผลกระทบต่อความสามารถในการทำซ้ำของกระบวนการและประสิทธิภาพในการลดข้อบกพร่องได้

นี่เป็นหนึ่งในเหตุผลที่ผู้ผลิตเตาหลอมขั้นสูงหันมาใช้ส่วนประกอบเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์ความบริสุทธิ์สูงมากขึ้นเรื่อยๆ แทนที่จะใช้ระบบควอตซ์หลอมแบบดั้งเดิม

บทบาทsในระบบเตาเผาแบบแพร่และออกซิเดชัน

การแพร่และการออกซิเดชันยังคงเป็นกระบวนการทางความร้อนพื้นฐานที่สุดในอุตสาหกรรมการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ กระบวนการเหล่านี้ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการกระตุ้นสารเจือปน การเติบโตของออกไซด์ด้วยความร้อน การอบอ่อน การแพร่แบบผลักดัน และการก่อตัวของฉนวนไฟฟ้า

อุณหภูมิการทำงานโดยทั่วไปอยู่ระหว่างประมาณ 900°C ถึง 1200°C ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบทางเคมีของกระบวนการผลิตและข้อกำหนดของอุปกรณ์ ในบางแอปพลิเคชันของสารกึ่งตัวนำกำลังสูงหรืออุปกรณ์ SiC ขั้นสูง วงจรความร้อนอาจสูงเกิน 1300°C

ภายใต้เงื่อนไขเหล่านี้ แท่นวางเวเฟอร์ต้องรักษาเสถียรภาพด้านมิติในระหว่างรอบการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่ยาวนาน พร้อมทั้งลดการปนเปื้อนให้น้อยที่สุดและรักษาระยะห่างระหว่างเวเฟอร์ให้สม่ำเสมอ

แผ่นเวเฟอร์ควอตซ์แบบดั้งเดิมถูกนำมาใช้ในเตาเผาแบบแพร่กระจายมานานแล้ว เนื่องจากมีความบริสุทธิ์สูงและต้นทุนค่อนข้างต่ำ อย่างไรก็ตาม วัสดุควอตซ์มีค่าการนำความร้อนค่อนข้างต่ำ โดยทั่วไปอยู่ที่ประมาณ 1.4 วัตต์/เมตร·เคลวิน ที่อุณหภูมิห้อง

เมื่อเปรียบเทียบกันแล้ว เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์โดยทั่วไปจะมีค่าการนำความร้อนอยู่ในช่วงประมาณ 120 ถึง 200 วัตต์/เมตร·เคลวิน ขึ้นอยู่กับเกรดและโครงสร้างจุลภาค

ความแตกต่างอย่างเห็นได้ชัดนี้ช่วยปรับปรุงความสม่ำเสมอของอุณหภูมิทั่วทั้งเตาหลอมได้อย่างมีนัยสำคัญ

ค่าการนำความร้อนที่สูงขึ้นช่วยให้:

● การให้ความร้อนแก่แผ่นเวเฟอร์สม่ำเสมอยิ่งขึ้น

● ลดความแตกต่างของอุณหภูมิ

● ปรับปรุงความสม่ำเสมอระหว่างแผ่นเวเฟอร์ให้ดียิ่งขึ้น

● ลดการสะสมความเครียดจากความร้อน

● ลดผลกระทบที่ขอบระหว่างการออกซิเดชันหรือการแพร่กระจาย

ในกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ขั้นสูง ซึ่งช่วงของกระบวนการแคบลงเรื่อยๆ การปรับปรุงเหล่านี้ส่งผลโดยตรงต่อความสม่ำเสมอของฟิล์มและความสม่ำเสมอของประสิทธิภาพทางไฟฟ้า

นอกจากนี้ แท่นวางเวเฟอร์ SiC ยังมีความแข็งแกร่งเชิงกลสูงกว่าโครงสร้างควอตซ์อย่างมาก ซึ่งมีความสำคัญมากขึ้นในระบบเตาเผาแนวตั้งที่ใช้ในการผลิตเวเฟอร์ขนาด 300 มม. จำนวนมาก โดยที่ความยาวของแท่นวางและการรับน้ำหนักเชิงกลอาจมีนัยสำคัญ

การลดการเสียรูปช่วยรักษาความแม่นยำของระยะห่างระหว่างแผ่นเวเฟอร์และพฤติกรรมการไหลของก๊าซที่คงที่ตลอดวงจรความร้อน

คุณสมบัติทางกายภาพที่สำคัญของแผ่นเวเฟอร์เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์

ความนิยมที่เพิ่มขึ้นของภาชนะใส่แผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์นั้น ส่วนใหญ่เป็นผลมาจากคุณสมบัติทางความร้อน ทางกล และทางเคมีที่เป็นเอกลักษณ์ของเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์

ลักษณะทางกายภาพที่สำคัญ

คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้โครงสร้างเซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์สามารถรักษาเสถียรภาพทางมิติภายใต้การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเป็นเวลานาน ในขณะที่ส่วนประกอบควอตซ์แบบดั้งเดิมอาจเริ่มอ่อนตัวหรือเสียรูปได้

ความแข็งแกร่งสูงของซิลิคอนคาร์ไบด์ยังช่วยลดการสั่นสะเทือนและความไม่เสถียรทางกลระหว่างการโหลดและขนถ่ายแผ่นเวเฟอร์ในเตาอบอีกด้วย

ประเภทวัสดุหลักสำหรับเรือเวเฟอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์

ถาดสำหรับวางแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนคาร์ไบด์สมัยใหม่ผลิตขึ้นโดยใช้เทคโนโลยีวัสดุที่หลากหลาย ซึ่งแต่ละเทคโนโลยีได้รับการปรับให้เหมาะสมกับสภาพแวดล้อมการผลิตและข้อกำหนดด้านความคุ้มค่าที่เฉพาะเจาะจง

ซิลิคอนคาร์ไบด์ที่ผ่านกระบวนการตกผลึกใหม่ (RSiC) ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในงานเตาเผาอุณหภูมิสูง เนื่องจากมีความบริสุทธิ์และเสถียรภาพทางความร้อนที่ดีเยี่ยม กระบวนการผลิต RSiC ไม่จำเป็นต้องเติมสารช่วยในการเผาผนึกในปริมาณมาก ซึ่งช่วยลดความเสี่ยงของการปนเปื้อนในสภาพแวดล้อมของเซมิคอนดักเตอร์ได้

ซิลิคอนคาร์ไบด์ที่ผ่านกระบวนการเผาผนึกด้วยปฏิกิริยา (RBSC หรือ RBSiC) มีความแข็งแรงเชิงกลสูงกว่าและต้นทุนการผลิตต่ำกว่า อย่างไรก็ตาม ซิลิคอนอิสระที่ตกค้างอยู่ในโครงสร้างอาจลดความต้านทานต่อการกัดกร่อนในสภาพแวดล้อมที่มีการกัดกร่อนบางประเภทได้

สำหรับงานประยุกต์ใช้เซมิคอนดักเตอร์ขั้นสูง ระบบกราไฟต์เคลือบซิลิคอนคาร์ไบด์ด้วยวิธี CVD กำลังได้รับความนิยมมากขึ้นเรื่อยๆ ในโครงสร้างเหล่านี้ พื้นผิวกราไฟต์ทำหน้าที่เป็นตัวรองรับเชิงกลที่มีน้ำหนักเบา ในขณะที่การเคลือบซิลิคอนคาร์ไบด์ด้วยกระบวนการตกตะกอนไอสารเคมี (CVD) ที่มีความบริสุทธิ์สูงจะทำหน้าที่เป็นส่วนเชื่อมต่อระหว่างกระบวนการผลิต

สารเคลือบซิลิคอนคาร์ไบด์แบบ CVD มีอัตราการเกิดอนุภาคต่ำมากและความบริสุทธิ์สูงเป็นพิเศษ ทำให้เป็นที่น่าสนใจอย่างยิ่งสำหรับการผลิตเซมิคอนดักเตอร์เชิงตรรกะและกำลังไฟฟ้าขั้นสูง อย่างไรก็ตาม ความสมบูรณ์ของสารเคลือบและค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่ไม่ตรงกันจะต้องได้รับการควบคุมอย่างระมัดระวังเพื่อป้องกันการแตกร้าวหรือการหลุดลอกระหว่างการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิซ้ำๆ

ความท้าทายทั่วไปในกระบวนการทำงาน

แม้ว่าภาชนะใส่แผ่นเวเฟอร์เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์จะมีข้อดีด้านประสิทธิภาพ แต่ก็ยังคงเผชิญกับความท้าทายทางวิศวกรรมมากมายในสภาพแวดล้อมการผลิตเซมิคอนดักเตอร์จริง

การปนเปื้อนของอนุภาคยังคงเป็นหนึ่งในปัญหาที่สำคัญที่สุด เนื่องจากขนาดของอุปกรณ์เล็ลงเรื่อยๆ การสูญเสียผลผลิตที่เกิดจากอนุภาคจึงทวีความรุนแรงมากขึ้น แม้แต่เศษผงขนาดเล็กกว่าไมครอนที่เกิดจากรอยแตกขนาดเล็ก การหลุดลอกของสารเคลือบ หรือการเสื่อมสภาพของพื้นผิว ก็อาจทำให้เกิดข้อบกพร่องร้ายแรงในเวเฟอร์ขั้นสูงได้

การแตกร้าวจากความเค้นทางความร้อนเป็นอีกหนึ่งความท้าทายที่มีมาอย่างยาวนาน แม้ว่าซิลิคอนคาร์ไบด์จะมีเสถียรภาพทางความร้อนที่ดีเยี่ยม แต่ก็ยังคงเป็นวัสดุเซรามิกที่ค่อนข้างเปราะ การให้ความร้อนอย่างรวดเร็วหรือความไม่สม่ำเสมอของอุณหภูมิเฉพาะจุดสามารถนำไปสู่การแตกร้าวที่มุมโครงสร้าง ร่องเวเฟอร์ หรือจุดตัดของลำแสงได้

การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างต่อเนื่องในระยะยาวอาจนำไปสู่การเสียรูปหรือการคืบตัวอย่างค่อยเป็นค่อยไป โดยเฉพาะอย่างยิ่งในถาดใส่เวเฟอร์ขนาดใหญ่ที่ใช้ในระบบเตาเผาแนวตั้ง แม้แต่การเปลี่ยนแปลงทางเรขาคณิตเพียงเล็กน้อยก็อาจเปลี่ยนแปลงระยะห่างระหว่างเวเฟอร์และความสม่ำเสมอของการไหลของก๊าซ ซึ่งส่งผลต่อการควบคุมความหนาของออกไซด์และความสม่ำเสมอของการกระจายตัวของสารเจือปน

การหลุดลอกของสารเคลือบ CVD เป็นอีกหนึ่งปัญหาสำคัญด้านความน่าเชื่อถือในระบบ SiC ที่เคลือบผิว เนื่องจากพื้นผิวแกรไฟต์และสารเคลือบ SiC มีพฤติกรรมการขยายตัวทางความร้อนที่แตกต่างกัน การให้ความร้อนซ้ำๆ ที่อุณหภูมิสูงจะนำไปสู่การสะสมของความเครียดที่บริเวณรอยต่อในที่สุด

บทสรุป

ในระบบเตาเผาแบบแพร่กระจายและออกซิเดชันของสารกึ่งตัวนำ เรือวางแผ่นเวเฟอร์เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์มีบทบาทสำคัญในการรักษาเสถียรภาพทางความร้อน ควบคุมการปนเปื้อน และรับประกันความสม่ำเสมอของกระบวนการภายใต้สภาวะการทำงานที่รุนแรงอย่างยิ่ง การนำความร้อนสูง ความแข็งแกร่งทางกลที่ดีเยี่ยม ความทนทานต่ออุณหภูมิสูง และความเสถียรทางเคมี ทำให้เรือวางแผ่นเวเฟอร์เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์มีความสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ ในการผลิตสารกึ่งตัวนำขั้นสูง

เนื่องจากเทคโนโลยีการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ยังคงพัฒนาอย่างต่อเนื่องและมีความซับซ้อนมากขึ้นเรื่อย ๆ ประกอบกับข้อกำหนดในการควบคุมข้อบกพร่องที่เข้มงวดมากขึ้น ความสำคัญของระบบตัวรองรับเวเฟอร์เซรามิกขั้นสูงจึงมีแต่จะเพิ่มสูงขึ้น ในโรงงานผลิตชิปสมัยใหม่ ความท้าทายหลายประการที่เกี่ยวข้องกับการควบคุมอนุภาค ความสม่ำเสมอของอุณหภูมิ และความน่าเชื่อถือ สามารถสืบย้อนกลับไปได้ถึงการทำงานร่วมกันระหว่างพฤติกรรมการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ ความเสถียรของวัสดุ และการออกแบบระบบตัวรองรับเวเฟอร์

ด้วยเหตุนี้ เรือวางแผ่นเวเฟอร์เซรามิกซิลิคอนคาร์ไบด์จึงกำลังพัฒนาอย่างรวดเร็วจากอุปกรณ์เสริมในเตาหลอมไปสู่ส่วนประกอบที่สำคัญสำหรับการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ยุคใหม่