Grafitové kroužky potažené pyrolytickým uhlíkem (PyC): Zlepšení spolehlivosti při výrobě vysokoteplotních polovodičů

Tlak na větší wafery, stále vyšší výkonové hustoty a složitější procesní sekvence kladou nebývalé požadavky na materiály používané uvnitř zařízení na výrobu polovodičů. Komponenty, které jsou umístěny uvnitř reaktorů a tepelných systémů, nyní musí vydržet extrémní teploty, agresivní chemické atmosféry a opakované tepelné cykly – to vše při zachování přísných rozměrových tolerancí a neuvolňování prakticky žádných nečistot.

Mezi pokrokovými materiálovými řešeními, která se objevila, aby čelila těmto výzvám, získaly prstence z grafitu potažené pyrolytickým uhlíkem (PyC) obzvláště silnou oporu. Nyní jsou široce specifikovány pro růst krystalů karbidu křemíku, epitaxní nanášení, CVD procesy a další vysokoteplotní tepelné zpracování. Ve společnosti Vetek Semiconductor jsme zaměřili své úsilí v oblasti výzkumu a vývoje na technologie povlakování pyrolytickým uhlíkem, které pomáhají výrobním závodům dosahovat stabilnějších procesů, delší životnosti dílů a nižších celkových provozních nákladů.

Proč nechráněný grafit v dnešních procesech zaostává?

Grafit je již dlouho tahounem pro polovodičové tepelné systémy díky své dobré tepelné vodivosti, nízké hmotnosti a schopnosti zvládat extrémně vysoké teploty. Ale holý grafit ho sám o sobě již neřeže pro mnoho dnešních pokročilých procesů.

Vezměme si například růst krystalů SiC PVT, epitaxi MOCVD, depozici CVD, difúzní a oxidační kroky nebo vysokoteplotní žíhání. V každém z nich jsou grafitové komponenty běžně vystaveny podmínkám, které zahrnují teploty nad 1500 °C, vodík, čpavek, plyny obsahující chlór a časté tepelné cykly nahoru a dolů. Neošetřený grafit začne časem vykazovat povrchovou erozi, odlupování částic, chemické napadení, zhoršenou tepelnou rovnoměrnost a znatelně kratší životnost. Dokonce i malé částice generované během zpracování mohou přistát na plátcích a poškodit výnos.

Právě proto se pokročilá povrchová ochrana stala nedílnou součástí moderní výroby polovodičů.

Co to vlastně pyrolytický uhlíkový povlak je?

Pyrolytický uhlíkový povlak se vyrábí pomocí specializovaného postupu chemického nanášení z plynné fáze (CVD), při kterém se hustá, vysoce uspořádaná uhlíková vrstva nanáší na vysoce čistý grafitový substrát. To, co odlišuje PyC od konvenčních uhlíkových povlaků, je jeho dobře uspořádaná mikrostruktura, která se promítá do výjimečných tepelných, mechanických a chemických vlastností.

Ve společnosti Vetek Semiconductor jsou naše pyrolytické uhlíkové povlaky navrženy tak, aby přinášely několik praktických výhod:

• Vysoká čistota – celkové nečistoty jsou udržovány pod 20 ppm, s vynikající plynotěsností, díky čemuž je povlak vhodný pro ultračisté polovodičové prostředí.
• Vynikající tepelná stabilita – povlak zůstává stabilní i při ultra vysokých teplotách; ve skutečnosti se jeho mechanická pevnost zvyšuje s rostoucí teplotou, přičemž špičkový výkon je kolem 2750 °C a bod sublimace až 3600 °C.
• Vynikající odolnost proti tepelným šokům – díky nízkému koeficientu tepelné roztažnosti, vysoké tepelné vodivosti a nízkému modulu pružnosti odolává PyC velmi dobře rychlým změnám teplot.
• Široká chemická stabilita – odolává kyselinám, zásadám, solím, organickým činidlům a dokonce i roztaveným kovům.
• Ultranízké odplynění – při teplotě kolem 1800 °C dokáže PyC udržet úroveň vakua zhruba 10⁻⁷mmHg bez významného uvolňování plynu.

Všechny tyto vlastnosti dělají z grafitu potaženého PyC spolehlivou volbu pro nejnáročnější polovodičové aplikace.

Kde se nejvíce používají kroužky potažené pyrolytickým uhlíkem?

1. Růst krystalů SiC pomocí PVT

Fyzikální transport par je pravděpodobně jedním z nejnáročnějších procesů ve světě polovodičů s typickými provozními teplotami v rozmezí 2300-2500 °C. Grafitové kroužky potažené PyC se běžně používají v systémech tepelného pole, susceptorech, kelímcích, tepelných štítech a konstrukčních podpěrách. Uživatelé uvádějí nižší riziko kontaminace, konzistentnější tepelná pole, delší životnost součástí a stabilnější podmínky růstu krystalů. V některých případech výrobci zaznamenali o 15–20 % vyšší účinnost růstu a výtěžnost waferů nad 90 %.

2. Polovodičová epitaxe (SiC a GaN)

Pro epitaxní růst je stejnoměrnost teploty na plátku naprosto zásadní pro kvalitu filmu. Grafitové části potažené PyC pomáhají vytvářet stabilnější růstové prostředí tím, že poskytují rovnoměrné rozložení tepla a snižují tvorbu částic. Odměnou je lepší konzistence procesu, hustota defektů již od 0,05 defektů/cm² a zlepšená uniformita mezi plátkem a plátkem, to vše se přímo promítá do vyššího výnosu výroby.

3. Vysokoteplotní difúze a oxidace

Tyto potažené prstence jsou také široce používány v difuzních pecích, oxidačních pecích a žíhacích systémech. Jejich silná odolnost vůči teplotním šokům jim umožňuje přežít opakované cykly zahřívání a chlazení s minimální degradací. V praxi mohou být intervaly údržby často prodlouženy ze tří měsíců na šest měsíců, což zvyšuje dostupnost zařízení a snižuje prostoje.

Pyrolytický uhlík versus jiné technologie polovodičových povlaků

Různé procesy vyžadují různá řešení povrchové úpravy, a proto Vetek Semiconductor nabízí řadu pokročilých technologií, které vyhovují specifickým provozním prostředím.

CVD SiC povlak nabízí čistotu až 99,99999 %, vynikající chemickou odolnost, nízkou tvorbu částic a dlouhou životnost. Běžně se používá v SiC a GaN epitaxi, MOCVD reaktorech a PECVD systémech.

Povlak CVD TaC poskytuje vynikající odolnost proti oxidaci, vynikající stabilitu při vysokých teplotách a vynikající odolnost proti opotřebení, díky čemuž je vhodnou volbou pro růst monokrystalů SiC a výrobu polovodičů třetí generace.

Tím, že nabízíme více možností povrchové úpravy, umožňujeme zákazníkům vybrat si nejvhodnější materiál pro každý konkrétní krok v jejich procesu.

Co přináší Vetek Semiconductor z hlediska výroby?

Výroba spolehlivých polovodičových součástek není jen o pokročilých materiálech – závisí také na přesném obrábění a přísné kontrole kvality. Vetek Semiconductor provozuje integrovanou výrobní platformu, která pokrývá čištění materiálu, přesné CNC obrábění, povlakování pyrolytickým uhlíkem, povlakování CVD SiC, povlakování CVD TaC a komplexní kontrolu.

Naše přesné obrábění dodržuje rozměrové tolerance do ±3 μm a dokážeme zvládnout složité geometrie. Disponujeme také velkou zpracovatelskou kapacitou: součástky do průměru 2000 mm a výšky 2000 mm jsou v rámci našich možností. Veškerá výroba probíhá za přísného řízení kontaminace podle protokolů o čistotě polovodičů.

Naše komponenty jsou navrženy tak, aby byly náhradními díly pro hlavní platformy zařízení, včetně těch od Applied Materials, Lam Research, Veeco, Aixtron, ASM, TEL a LPE, takže zákazníci mohou upgradovat bez významných úprav zařízení.

Dlouhodobá hodnota pokročilých nátěrů

Snížení celkových nákladů na vlastnictví je prioritou v celém odvětví a pokročilé technologie lakování přinášejí měřitelnou návratnost. Uživatelé obvykle vidí až o 40 % nižší náklady na spotřební materiál, o 15–20 % vyšší účinnost růstu krystalů, prodloužené intervaly údržby, zkrácení prostojů zařízení, lepší výtěžnost waferů a delší životnost součástí.

Jak se výroba polovodičů posouvá směrem k větším SiC waferům, zařízením s vyšším výkonem a stále náročnějším tepelným prostředím, bude povrchové inženýrství jen nabývat na významu. Grafitové kroužky potažené pyrolytickým uhlíkem spolu s technologiemi CVD SiC a CVD TaC hrají stále důležitější roli při budování efektivnějších, spolehlivějších a škálovatelnějších výrobních systémů.

O Vetek Semiconductor

Vetek Semiconductor se specializuje na pokročilé materiály a technologie povrchové úpravy pro vysokoteplotní výrobu polovodičů. Naše produktové portfolio zahrnuje povlak pyrolytický uhlík (PyC), povlak CVD karbid křemíku (SiC), povlak CVD karbid tantalu (TaC), vysoce čisté grafitové komponenty, pevné CVD SiC komponenty a kompletní řešení tepelného pole. Spojením odborných znalostí v oblasti materiálů, přesné výroby a hlubokých znalostí procesů poskytujeme spolehlivá řešení pro výrobu polovodičů nové generace.