Grafitni obroči, prevlečeni s pirolitičnim ogljikom (PyC): izboljšanje zanesljivosti pri proizvodnji visokotemperaturnih polprevodnikov

Prizadevanje za večje rezine, vedno višje gostote moči in bolj zapletena procesna zaporedja postavljajo brez primere zahteve za materiale, ki se uporabljajo v opremi za izdelavo polprevodnikov. Komponente, ki se nahajajo v reaktorjih in toplotnih sistemih, morajo zdaj prenašati ekstremne temperature, agresivne kemične atmosfere in ponavljajoče se toplotne cikle – vse to ob ohranjanju strogih dimenzijskih toleranc in skoraj brez sproščanja onesnaževal.

Med naprednimi materialnimi rešitvami, ki so se pojavile za soočanje s temi izzivi, so grafitni obroči, prevlečeni s pirolitičnim ogljikom (PyC), pridobili še posebej močno oporo. Zdaj so široko opredeljeni za rast kristalov silicijevega karbida, epitaksialno nanašanje, postopke CVD in druge visokotemperaturne termične obdelave. Pri Vetek Semiconductor smo svoja prizadevanja za raziskave in razvoj usmerili v tehnologije premazov s pirolitičnim ogljikom, ki tovarnam pomagajo doseči stabilnejše procese, daljšo življenjsko dobo delov in nižje skupne operativne stroške.

Zakaj nezaščiten grafit ne ustreza današnjim procesom?

Grafit je že dolgo glavni material za polprevodniške toplotne sisteme, zahvaljujoč njegovi dobri toplotni prevodnosti, majhni teži in zmožnosti prenašanja izjemno visokih temperatur. Toda goli grafit sam po sebi ne ustreza več številnim današnjim naprednim procesom.

Vzemimo za primer rast kristalov SiC PVT, epitaksijo MOCVD, nanašanje CVD, korake difuzije in oksidacije ali visokotemperaturno žarjenje. V vsakem od teh so grafitne komponente rutinsko izpostavljene pogojem, ki vključujejo temperature nad 1500 °C, vodik, amoniak, pline, ki vsebujejo klor, in pogoste termične cikle navzgor in navzdol. Sčasoma začne neobdelan grafit kazati površinsko erozijo, odpadanje delcev, kemični napad, poslabšano toplotno enakomernost in opazno krajšo življenjsko dobo. Tudi drobni delci, ki nastanejo med predelavo, lahko pristanejo na rezinah in poškodujejo izkoristek.

Ravno zato je napredna površinska zaščita postala del sodobne proizvodnje polprevodnikov, o katerem se ni mogoče pogajati.

Kaj pravzaprav je pirolitični karbonski premaz?

Pirolitični ogljikov premaz se proizvaja s posebnim postopkom kemičnega naparjevanja (CVD), pri katerem se gosta, visoko urejena ogljikova plast nanese na grafitno podlago visoke čistosti. Kar ločuje PyC od običajnih ogljikovih premazov, je njegova dobro urejena mikrostruktura, ki pomeni izjemno toplotno, mehansko in kemično zmogljivost.

Pri Vetek Semiconductor so naši pirolitični ogljikovi premazi zasnovani tako, da zagotavljajo več praktičnih prednosti:

• Visoka čistost – skupne nečistoče so pod 20 ppm, z odlično plinsko tesnostjo, zaradi česar je premaz primeren za ultra čista polprevodniška okolja.
• Izjemna toplotna stabilnost – premaz ostane stabilen pri ultra visokih temperaturah; pravzaprav se njegova mehanska trdnost dejansko povečuje z dvigom temperature, z najvišjo zmogljivostjo okoli 2750 °C in sublimacijsko točko do 3600 °C.
• Odlična odpornost na toplotne udarce – zahvaljujoč nizkemu koeficientu toplotnega raztezanja, visoki toplotni prevodnosti in nizkemu modulu elastičnosti PyC zelo dobro prenese hitre temperaturne spremembe.
• Široka kemična stabilnost – odporen je na kisline, alkalije, soli, organske reagente in celo staljene kovine.
• Izjemno nizko sproščanje plinov – pri približno 1800 °C lahko PyC vzdržuje raven vakuuma približno 10⁻⁷mmHg brez znatnega sproščanja plina.

Zaradi vseh teh značilnosti je grafit, prevlečen s PyC, zanesljiva izbira za najtežje polprevodniške aplikacije.

Kje se najpogosteje uporabljajo prstani s pirolitičnim karbonom?

1. Rast kristalov SiC s PVT

Fizični transport hlapov je nedvomno eden najzahtevnejših procesov v svetu polprevodnikov s tipičnimi delovnimi temperaturami v območju 2300–2500 °C. Grafitni obroči, prevlečeni s PyC, se pogosto uporabljajo v sistemih toplotnega polja, susceptorjih, lončkih, toplotnih ščitih in strukturnih nosilcih. Uporabniki poročajo o manjšem tveganju kontaminacije, bolj doslednih toplotnih poljih, daljši življenjski dobi komponent in stabilnejših pogojih rasti kristalov. V nekaterih primerih so proizvajalci opazili 15-20 % večjo učinkovitost rasti in izkoristek rezin nad 90 %.

2. Polprevodniška epitaksija (SiC in GaN)

Za epitaksialno rast je enakomernost temperature po rezini ključnega pomena za kakovost filma. Grafitni deli, prevlečeni s PyC, pomagajo ustvariti stabilnejše rastno okolje z enakomerno porazdelitvijo toplote in zmanjšanjem nastajanja delcev. Izplačilo je boljša konsistentnost postopka, gostota napak tako nizka kot 0,05 defektov/cm² in izboljšana enakomernost med rezinami, kar se neposredno prevede v večji izkoristek proizvodnje.

3. Visokotemperaturna difuzija in oksidacija

Ti prevlečeni obroči se pogosto uporabljajo tudi v difuzijskih pečeh, oksidacijskih pečeh in sistemih za žarjenje. Njihova močna odpornost na toplotni šok jim omogoča, da preživijo ponavljajoče se cikle segrevanja in hlajenja z minimalno degradacijo. V praksi se lahko vzdrževalni intervali pogosto podaljšajo s treh mesecev na šest mesecev, kar poveča razpoložljivost opreme in skrajša čas izpada.

Pirolitični ogljik v primerjavi z drugimi tehnologijami polprevodniških premazov

Različni procesi zahtevajo različne rešitve premazov, zato Vetek Semiconductor ponuja vrsto naprednih tehnologij, ki ustrezajo specifičnim delovnim okoljem.

Prevleka CVD SiC ponuja čistost do 99,99999%, odlično kemično odpornost, nizko nastajanje delcev in dolgo življenjsko dobo. Običajno se uporablja v epitaksiji SiC in GaN, reaktorjih MOCVD in sistemih PECVD.

Prevleka CVD TaC zagotavlja vrhunsko odpornost proti oksidaciji, odlično stabilnost pri visokih temperaturah in izjemno odpornost proti obrabi, zaradi česar je najboljša izbira za rast monokristalov SiC in proizvodnjo polprevodnikov tretje generacije.

S ponudbo več možnosti premazovanja strankam omogočamo izbiro najprimernejšega materiala za vsak posamezen korak v njihovem procesu.

Kaj Vetek Semiconductor prinaša na mizo v smislu proizvodnje?

Pri izdelavi zanesljivih polprevodniških komponent ne gre le za napredne materiale – odvisna je tudi od natančne obdelave in strogega nadzora kakovosti. Vetek Semiconductor upravlja integrirano proizvodno platformo, ki zajema čiščenje materiala, CNC natančno obdelavo, pirolitično ogljikovo prevleko, CVD SiC prevleko, CVD TaC prevleko in celovit pregled.

Naša natančna obdelava ima tolerance dimenzij do ±3 μm in lahko obdelujemo zapletene geometrije. Imamo tudi zmogljivost obdelave velikih velikosti: komponente do 2000 mm v premeru in 2000 mm v višino so v naši zmožnosti. Vsa proizvodnja poteka pod strogim nadzorom kontaminacije, po protokolih čistosti za polprevodnike.

Naše komponente so zasnovane kot zamenjava za glavne platforme opreme, vključno s tistimi iz Applied Materials, Lam Research, Veeco, Aixtron, ASM, TEL in LPE, tako da lahko stranke nadgradijo brez večjih sprememb opreme.

Dolgoročna vrednost naprednih premazov

Zmanjšanje skupnih stroškov lastništva je prednostna naloga v celotni industriji, napredne tehnologije premazov pa zagotavljajo merljive donose. Uporabniki običajno vidijo do 40 % nižje stroške potrošnega materiala, 15-20 % večjo učinkovitost rasti kristalov, podaljšane vzdrževalne intervale, zmanjšan čas izpada opreme, izboljšan izkoristek rezin in daljšo življenjsko dobo komponent.

Ker se proizvodnja polprevodnikov premika proti večjim rezinam SiC, napravam z večjo močjo in vse bolj zahtevnim toplotnim okoljem, bo površinsko inženirstvo le še bolj pomembno. Grafitni obroči, prevlečeni s pirolitičnim ogljikom, skupaj s tehnologijama CVD SiC in CVD TaC igrajo vse bolj osrednjo vlogo pri izgradnji učinkovitejših, zanesljivejših in razširljivih proizvodnih sistemov.

O podjetju Vetek Semiconductor

Vetek Semiconductor je specializiran za napredne materiale in tehnologije premazov za visokotemperaturno proizvodnjo polprevodnikov. Naš portfelj izdelkov vključuje prevleko iz pirolitičnega ogljika (PyC), prevleko iz silicijevega karbida CVD (SiC), prevleko iz tantalovega karbida (TaC) CVD, grafitne komponente visoke čistosti, trdne komponente CVD SiC in celovite rešitve toplotnega polja. Z združevanjem strokovnega znanja na področju znanosti o materialih, natančne proizvodnje in globokega znanja o procesih zagotavljamo zanesljive rešitve za proizvodnjo polprevodnikov naslednje generacije.