MOCVD SiC padengto grafito susceptoriaus įtrūkimo analizė ir terminio įtempio optimizavimo atvejo tyrimas

1,2 pav. MOCVD radialinio lūžio morfologijaCVD SiC padengtas grafito susceptoriusKilęs iš Central Step Thru-Hole

I. Santrauka ir pagrindinės išvados

Pagrindinė išvada:Epitaksinių plokštelių susceptorių (plokščių laikiklių) konstrukcija ir kokybė tiesiogiai lemia jų tarnavimo laiką, o tai daro didelę įtaką epitaksinių plokštelių gamybos sąnaudų paskirstymui ir įrangos prastovoms. Rinkdamiesi susceptorius, epitaksinių plokštelių gamintojai teikia pirmenybę aukštos kokybės konstrukcijoms, kurios pritaikomos prie faktinių proceso reikalavimų, sumažina keitimo dažnumą ir prailgina tarnavimo laiką – taip žymiai sumažinamos gamybos sąnaudos ir nuolat gerinama epitaksinė gaminio kokybė.

Perprojektuodama įtempių buferio zoną centrinėje pakopoje ir pasirinkusi grafito pagrindo medžiagas su pritaikytu terminio plėtimosi koeficientu (CTE), „Vetek“ (www.veteksemicon.com) visiškai išsprendė pramoninį radialinio įtrūkimo iššūkį, atsirandantį iš centrinės pakopos per skylę MOCVD plokštelių laikikliuose.

Užjūrio 3-osios kartos puslaidininkinių epitaksinių lustų gamintojas susidūrė su dideliais gamybos kliūtimis dėl tiesioginio įtrūkimų ir didelių cheminių garų nusodinimo pažeidimų.Silicio karbidu (CVD SiC) padengti grafito susceptoriaiesant aukštai temperatūrai MOCVD epitaksiniam augimui. Mūsų techninė komanda tiksliai nustatė pagrindines priežastis: didelė įtempių koncentracija centriniame žingsnyje ir grafito pagrindo šiluminio plėtimosi neatitikimas. Perkonfigūruodami konstrukcines ribas (išplėsdami įtempių buferines zonas, atnaujindami slankiojo žingsnio pozicionavimą) ir optimalų grafito medžiagų pasirinkimą, klientui sėkmingai pašalinome įtrūkimų pavojų.

Pagrindiniai našumo ir metrikos patobulinimai:

· Susceptoriaus įtrūkimo dažnis: sumažintas nuo >15% iki 0%

· Vidutinis ciklo tarnavimo laikas: pailgėjo 300%+

· Neplanuotos įrangos prastovos: sumažėjo 95 %

II. Kliento fonas ir tradiciniai skausmo taškai

1. Kliento fonas

Klientas yra pirmaujantis automobiliams skirtų sudėtinių puslaidininkinių lustų gamintojas, valdantis kelias didelio dydžio, aukštos temperatūros MOCVD/MBE gamybos linijas, orientuotas į masinę didelės galios ir RF įrenginių epitaksinių plokštelių gamybą. Reakcijos kameros darbinė temperatūra siekia 1000–1400 °C ištisus metus, vykstant aukšto dažnio indukciniam kaitinimui ir dideliems greitiems šildymo/aušinimo terminiams ciklams. Kaip pagrindinis komponentas, tiesiogiai laikantis epitaksines plokšteles, didelio dydžioCVD SiC padengti grafito susceptoriaituri išlaikyti ypatingą konstrukcinį stabilumą ir šiluminį vienodumą esant aukštai temperatūrai, didelio įtempio aplinkoje.

2. Tradiciniai požiūriai ir detalūs istoriniai skausmo taškai

Naudodami tradicines susceptorių konstrukcijas, epitaksių gamintojai ilgai kentėjo nuo didelių ekonominių ir pajėgumų skausmo taškų:

· Dažni keitimai ir labai trumpas tarnavimo laikas:Įprastose konstrukcijose nebuvo atsižvelgta į šiluminio plėtimosi skirtumus esant labai aukštai temperatūrai. Susceptoriai įtrūko per kelias dešimtis ciklų, kai kurie sugenda iškart po montavimo (įtrūkimų dažnis >15%).

· Brangios prastovos ir valymo išlaidos:Susceptoriui įskilus ar sudužus kameroje, visa epitaksinių plokštelių partija buvo išbraukta, kartu su dideliu užteršimu dalelėmis. Kiekvienam incidentui reikėjo 12–24 valandų kameros aušinimo, išmontavimo, valymo, pakartotinio evakuacijos ir slėgio / temperatūros bandymo. Tiesioginiai nuostoliai dėl neplanuotų prastovų ir eksploatacinių medžiagų siekė dešimtis tūkstančių USD vienam įvykiui.

· Didelės vienos plokštelės gamybos sąnaudos:Kadangi tai yra didelės vertės eksploatacinės medžiagos, dažnas keitimas sukėlė pernelyg didelį susceptorių sąnaudų paskirstymą vienai plokštelei. Tuo pačiu metu prastovos sumažino bendrą įrangos efektyvumą (OEE) visoje gamybos linijoje ir žymiai padidino fiksuotas pridėtines išlaidas.

III. Techniniai iššūkiai ir gedimų mechanizmo analizė

Fizinio gedimo morfologija:Lūžių analizė rodo, kad įtrūkimai atsiranda būtent vidinėje centrinės skylės pakopoje, besitęsiančioje radialiai į išorę abiejose susceptoriaus korpuso pusėse.

Pagrindinės priežasties tyrimas (streso mechanizmas):

· Medžiagos terminio plėtimosi neatitikimas:Esant darbo aukštai temperatūrai (1000 °C ir aukštesnėms) sąlygoms, tarp grafito pagrindo ir apsauginės SiC dangos yra didelis šiluminio plėtimosi koeficiento (CTE) neatitikimas. Kadangi grafito šiluminio plėtimosi koeficientas yra didesnis nei grafitoSiC danga, grafito substratas kaitinimo metu patiria didesnę šiluminio plėtimosi deformaciją nei paviršinis SiC sluoksnis. Tai sukuria didelį sąsajos šiluminį įtempį, galiausiai sukeldamas grafito pagrindo korpuso įtrūkimus ir gedimą.

· Struktūrinis defektas streso mažinimo srityje:Pradiniame projekte centriniame žingsnyje nebuvo būtinos perėjimo buferinės zonos, sudarančios klasikinį mechaninio įtempio koncentracijos tašką. Kai plėtimosi įtampa viršijo grafito pagrindo atsparumo tempimui slenkstį, staigiame žingsnio kampe akimirksniu atsirado mikro įtrūkimai ir nutrūko į išorę.

IV. Sprendimai: kaip išsprendėme problemą

Siekdama išspręsti centrinio pakopinio įtrūkimo problemą, „Vetek“ tyrimų ir plėtros bei inžinierių komanda suformulavo išsamų techninio paaiškinimo planą, pagrįstą aukštos temperatūros terminio plėtimosi koeficientu (CTE). optimizavimas:

V. Rezultatai ir kiekybiškai įvertinama nauda

Atnaujinti susceptoriai buvo kruopščiai apdorojami terminiu ciklu ir kliento gamybos linijos tūrio linijos patikra, todėl buvo pasiektas didžiulis našumo patobulinimas:

· Visiškas terminio streso įtrūkimų pašalinimas:Optimizuoti susceptoriai nepertraukiamai veikė daugiau nei 500 terminių ciklų, sumažindami įtrūkimų ir pažeidimų greitį tiesiogiai nuo >15% iki 0%.

· Didelis prastovos nuostolių sumažinimas:Neplanuotų prastovų, atsiradusių dėl nešiklio gedimo, sumažėjo 95%, o tai labai padidino bendrą linijos OEE.

· Padaugintas tarnavimo laikas ir sąnaudų sumažinimas:Vidutinis susceptoriaus tarnavimo laikas pailgėjo 300%+, todėl labai sumažėjo skiriamos susceptoriaus sąnaudos už epitaksinę plokštelę.

VI. „Vetek“ gamybos ir kokybės kontrolės garantija

· Aukšto grynumo žaliavos pasirinkimas:Aukščiausios kokybės didelio tankio izostatinio grafito substratas (7N grynumo, pelenų kiekis <5 ppm) parinktas siekiant užtikrinti nepriekaištingą CTE suderinimą su CVD SiC danga.

· Tikslus apdirbimas:Naudojamas 5 ašių CNC tikslumas pjovimas (leistinos nuokrypos neviršija ±0,005 mm), sukuriant tikslias įtempių mažinimo buferines zonas esant svarbioms savybėms, tokioms kaip centrinė pakopa.

· CVD SiC nusodinimas:Aukštos temperatūros CVD procesai nusodina tankų 80–100 μm β-SiC sluoksnį, užtikrinantį puikų terminį vienodumą ir apsaugą nuo korozijos.

· 100 % CMM pilnas patikrinimas:Didelio tikslumo koordinačių matavimo mašinos (CMM) automatiškai nuskaito ir matuoja kišenių matricas, centrinio žingsnio matmenis ir bendrą plokštumą.

· Švaraus kambario pakavimas ir pristatymas:Valomas 100 klasės švariose patalpose ir dvigubai supakuotas į vakuuminę azoto pakuotę, pristatomas su pritaikytais EVA smūgiams atspariais dėklais.

3 paveikslas: „Vetek Semiconductor Advanced“ precizinis apdirbimas, švarios patalpos ir kokybės kontrolės įrenginiai

VII. Dažnai užduodami klausimai (DUK)

1 klausimas: kokia yra pagrindinė priežastisMOCVD SiC padengtas grafito susceptoriusįtrūkimai prasideda nuo centrinio laiptelio?

A: Pagrindinė priežastis yra įtempių mažinimo buferinės zonos trūkumas centriniame žingsnyje, todėl reikia pertvarkyti konstrukciją, kad būtų paskirstytas šiluminis įtempis.

2 klausimas: Ar vien tik CVD SiC danga gali užkirsti kelią įtrūkimams centriniame žingsnyje?

A: Ne. SiC dangos pirmiausia užtikrina atsparumą korozijai, nešvarumų prevenciją ir šilumos laidumą. Jei konstrukcijos projektas yra ydingas, pati danga negali atlaikyti vidinio pagrindo gniuždymo ir tempimo įtempių. Tik „racionaliai suprojektuotos įtempių buferinės struktūros ir aukštos kokybės CVD SiC dangos“ derinys gali visiškai išspręsti įtrūkimų problemas.

VIII. Santrauka ir raginimas veikti (CTA)

Nors epitaksiniai plokštelių susceptoriai yra pagalbinės eksploatacinės medžiagos, jų konstrukcinė konstrukcija ir gamybos kokybė daro esminį poveikį fab gamybos efektyvumui ir bendroms išlaidoms. Tradiciniuose projektuose dažnai neatsižvelgiama į medžiagų CTE atitikimo ir įtempių koncentracijos mažinimo zonas, todėl dažnai sugenda susceptorius, brangios prastovos ir plokštelių laužo rizika.

„Vetek“ struktūrų optimizavimo ir patobulintos šiluminės įtampos inžinerijos dėka mes ne tik padėjome klientui visiškai išnaikintigrafito susceptoriusįtrūkimų (sumažėjęs įtrūkimų dažnis iki 0%), bet taip pat prailgino laikiklio tarnavimo laiką daugiau nei 300%. Šis patobulinimas žymiai sumažino keitimo dažnumą, sumažino kiekvienos plokštelės eksploatacinių medžiagų paskirstymo sąnaudas ir garantavo plokštelių epitaksinio augimo kokybę, stabilumą ir tęstinumą, užtikrinant didelę ekonominę ir talpos vertę.

4 pav. CVD SiC dangos pagrindinės fizinės savybės, SEM storio vienodumas ir itin didelio grynumo analizė

Susisiekite su mumis dėl pritaikytų terminio streso optimizavimo sprendimų

Ar jūsų MOCVD/MBE reakcijos kameros grafito laikikliai taip pat susiduria su aukštos temperatūros šiluminio įtempimo įtrūkimais, SiC dangos nusilupimu ar trumpo tarnavimo laiko problemomis?

„Vetek“ (www.veteksemicon.com) turi daugiau nei 10 metų patirtį puslaidininkinių CVD SiC dangų ir didelio grynumo grafito precizinio apdirbimo srityje.

Pateikite savo matmenų brėžinius arba nesėkmingų nuotraukų pavyzdžių, kad gautumėte nemokamą šiluminio įtempio tolerancijos įvertinimo ir bandomojo testavimo paslaugą!