Jak rozwiązać problem dużych różnic między kieszeniami w wielokieszeniowych susceptorach epitaksyjnych z krzemu i grafitu?

Rozwiązanie optymalizacyjnen dla precyzyjnych susceptorów powlekanych CVD SiC

Rozwiązując problem niejednorodności grubości folii spowodowanej dużą zmiennością kieszeni do kieszeni (1,4%) w wielokieszeniowych susceptorach z epitaksją krzemowo-grafitową, firma VeTek Semiconductor poprawiła płaskość susceptora do <0,08 mm i zmniejszyła zmienność między kieszeniami do 0,69% dzięki symulacji pola przepływu w piecu CVD i precyzyjnej obróbce, znacznie zwiększając wydajność płytek epitaksjalnych.

Susceptory epitaksyjno-grafitowe z wieloma kieszeniami z precyzyjną powłoką CVD SiC

I. Streszczenie

Podczas produkcji wielokieszeniowej epitaksji krzemowej nasz klient (odlewnia płytek półprzewodnikowych) stanął przed długotrwałymi wyzwaniami związanymi z dużą zmiennością grubości warstwy epitaksjalnej pomiędzy kieszeniami (oryginalne dane: 1,4%). To poważnie wpłynęło na konsystencję płytek epitaksjalnych i wydajność dalszego urządzenia. Przeprowadzając trójwymiarową symulację numeryczną i analizę wewnętrznej dynamiki płynów i pól termicznych wewnątrz pieca do epitaksji CVD, w połączeniu z optymalizacją struktury oprzyrządowania i wysoce precyzyjną technologią powlekania węglikiem krzemu (CVD SiC) metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD SiC), zespół VeTek Semiconductor znacząco poprawił płaskość powierzchni wielokieszeniowego krzemowego susceptora epitaksji z <0,20 mm do <0,08 mm. Po tych udoskonaleniach różnice w grubości folii pomiędzy kieszeniami klienta drastycznie spadły do ​​0,69%, osiągając jakościowy skok w zakresie jednorodności grubości folii.

Porównanie kluczowych wskaźników wydajności

II. Historia klienta: Poszukujemy rozwiązań do produkcji epitaksjalnej o wysokiej spójności

Perspektywa rdzenia: W wielkogabarytowej, wielokieszeniowej produkcji epitaksji krzemowej nawet najmniejsze odkształcenia susceptora są spotęgowane przez kosztowne straty w wydajności wiórów.

Klientem w ramach tej współpracy jest wiodąca odlewnia urządzeń zasilających o średnicy 8 cali/12 cali i płytek epitaksjalnych krzemu, produkująca głównie grubowarstwowe krzemowe płytki epitaksjalne stosowane w wysokonapięciowych tranzystorach MOSFET, IGBT i elektronice samochodowej. Ponieważ dalsi klienci wymagają coraz bardziej rygorystycznych parametrów elektrycznych chipów, grubość warstwy epitaksjalnej i jednorodność rezystywności stały się podstawowymi wskaźnikami oceny jakości płytek epitaksjalnych. Klient wykorzystuje wielokieszeniowe krzemowe reaktory epitaksyjne CVD, zdolne do jednoczesnego przetwarzania wielu płytek krzemowych w jednym przebiegu. Jednakże ze względu na długotrwałe cykle termiczne w wysokiej temperaturze i erozję w wyniku przepływu gazu, ich oryginalne grafitowe susceptory nie mogły już spełniać wymagań procesu o wysokiej precyzji w zakresie zmienności i płaskości pomiędzy kieszeniami.

III. Wyzwania i bolesne punkty: Duże różnice między kieszeniami powodują niejednorodność grubości folii

Główna perspektywa: Nadmierne tolerancje płaskości susceptora grafitu bezpośrednio zakłócają przewodzenie ciepła i rozkład pola przepływu gazu wewnątrz pieca CVD, powodując poważne różnice grubości pomiędzy kieszeniami.

Podczas epitaksjalnego wzrostu krzemu CVD gazy prekursorowe (takie jak SiHCl3/SiH4) osadzają się w wysokich temperaturach na powierzchni płytki, tworząc monokrystaliczną warstwę epitaksjalną. Grafitowy susceptor działa nie tylko jako nośnik, ale także odgrywa kluczową rolę w równomiernym przewodzeniu ciepła i prowadzeniu pola przepływu. Konkretne wąskie gardła techniczne, z którymi borykał się klient, obejmowały:

1. Różnice w grubości folii od kieszeni do kieszeni sięgają 1,4%, wpływając na ogólną jednorodność płytki

Ze względu na mikroodkształcenia na powierzchni po dłuższym użytkowaniu, oryginalne wielokieszeniowe grafitowe susceptory klienta wykazywały niewielkie różnice w głębokości wgłębień kieszeni i wydajności promieniowania cieplnego pomiędzy poszczególnymi kieszeniami. Rzeczywiste pomiary wykazały zróżnicowanie danych między kieszeniami aż o 1,4%. Ta rozbieżność bezpośrednio doprowadziła do niespójnego tempa wzrostu warstwy epitaksjalnej na płytkach krzemowych umieszczonych w różnych kieszeniach w tej samej partii, co skutkowało nadmiernym odchyleniem grubości warstwy.

2. Płaskość susceptora poniżej <0,20 mm spowodowana turbulencją granicznego pola termicznego i pola przepływu

Płaskość oryginalnych susceptorów można było utrzymać jedynie na poziomie <0,20 mm. W środowiskach epitaksji o wysokiej temperaturze wynoszącej 1100–1200°C nierówna powierzchnia powoduje, że przepływ reagującego gazu tworzy lokalne wiry, tworząc jednocześnie nierównomierne szczeliny między susceptorem a nagrzewnicą indukcyjną. To następnie spowodowało nierównomierne pola termiczne na powierzchni, pogarszając wahania grubości warstwy.

Analiza punktów bólowych i mechanizmów technicznych

IV. Indywidualne rozwiązanie VeTek: symulacja pola przepływu CVD i optymalizacja oprzyrządowania o ultrawysokiej precyzji

Podstawowa perspektywa: Optymalizacja przepływu i pól termicznych poprzez symulację numeryczną, w połączeniu z precyzyjną obróbką CNC na poziomie mikrona i gęstą powłoką CVD SiC o wysokiej czystości, zasadniczo zmienia wydajność susceptora.

Aby rozwiązać problem wąskich gardeł występujących u klienta w zakresie zmienności i płaskości, zespół inżynierów firmy VeTek Semiconductor przeprowadził oceny na miejscu, wyodrębnił parametry operacyjne reaktora i zaprojektował w pełni dostosowane, kompleksowe rozwiązanie optymalizacyjne:

VeTek Semiconductor Zaawansowana obróbka precyzyjna, pomieszczenia czyste i urządzenia do kontroli jakości

1. Symulacja przepływu wewnętrznego i pola cieplnego pieca CVD

Za pomocą programu ANSYS Fluent przeprowadzono trójwymiarowe symulacje numeryczne prędkości przepływu gazu, grubości warstwy granicznej i przenoszenia ciepła przez promieniowanie cieplne wewnątrz reaktora CVD. W oparciu o analizy modelowania przeprojektowano promienie przejścia krawędzi kieszeni i struktury rowków prowadzących gaz na powierzchni susceptora, umożliwiając gazom reagentów utrzymanie wysoce spójnego reżimu przepływu laminarnego nad każdą kieszenią i eliminując zlokalizowane wiry.

2. Precyzyjna obróbka podłoża grafitowego i optymalizacja narzędzi

Jako materiał podłoża wybrano izotropowy grafit izostatyczny o dużej gęstości i czystości, w połączeniu z ulepszonym 5-osiowym precyzyjnym oprzyrządowaniem do obróbki CNC. Dzięki udoskonaleniu kontroli naprężeń zaciskających i trajektorii ścieżki narzędzia podczas obróbki, płaskość susceptora po obróbce była ściśle kontrolowana w dół od <0,20 mm do <0,15 mm, a najwyższej jakości powierzchnie susceptora rdzenia osiągnęły przełomową płaskość <0,08 mm.

3. Zastrzeżona technologia gęstego powlekania CVD SiC o wysokiej czystości

Na powierzchni podłoża grafitowego wyhodowano bardzo gęstą powłokę α-SiC o jednolitej grubości za pomocą chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD). Powłoka charakteryzuje się czystością do 99,999% (klasa 5N-6N), wysoką przewodnością cieplną i odpornością na korozję gazową w postaci gorącego chlorowodoru (HCl). Doskonale dopasowuje się do współczynnika rozszerzalności cieplnej (CTE) podłoża grafitowego, zapewniając brak mikropęknięć czy rozwarstwień podczas szybkich cykli termicznych.

Rozwiązanie techniczne i zalety wydajności

Kluczowe właściwości fizyczne, jednorodność grubości SEM i analiza ultrawysokiej czystości powłoki CVD SiC

V. Wyniki i dane: Opieranie się na faktach i wymiernych wskaźnikach

Ogólna perspektywa: Zmierzone dane terenowe pokazują, że optymalizacja płaskości susceptora bezpośrednio przełożyła się na znaczną redukcję o 50,7% zmienności folii epitaksjalnej od kieszeni do kieszeni.

Po wymianie starych części na zoptymalizowane, wielokieszeniowe susceptory z epitaksją krzemowo-grafitową firmy VeTek Semiconductor, klient przeprowadził na swojej linii 30-dniowe ciągłe badanie śledzenia dużej produkcji na dużą skalę. Zebrane dane dotyczące rzeczywistej poprawy jakości obejmują:

1. Zmienność grubości folii pomiędzy kieszeniami zmniejszona do 0,69%

Zmierzone dane produkcyjne klienta wykazały, że różnice między kieszeniami znacząco spadły z 1,4% do 0,69%, osiągając ogólną redukcję o 50,7%. To drastycznie zminimalizowało różnice w stopie wzrostu w różnych kieszeniach.

2. Przebicie płaskości powierzchni susceptora do <0,08 mm

Dzięki optymalizacji pola przepływu i precyzyjnemu oprzyrządowaniu, produkowane masowo susceptory konsekwentnie osiągały płaskość w granicach <0,15 mm, a susceptory najwyższej klasy stabilnie osiągały <0,08 mm, znacznie przekraczając standardowe normy branżowe.

3. Znacząca poprawa jednorodności grubości folii i ogólnej wydajności

Dzięki wysoce stabilnym polom termicznym i przepływowym, wskaźniki rezystywności i jednorodności grubości warstwy epitaksjalnej osiągnęły najwyższe zakresy jakości. Wskaźnik wydajności płytek klasy A w odlewni wzrósł o około 3,5%, co pozwoliło zaoszczędzić setki tysięcy RMB rocznie na kosztach złomowanych płytek.

VI. Często zadawane pytania (FAQ)

P1: Dlaczego płaskość wielokieszeniowego susceptora z epitaksją krzemowo-grafitową ma tak duży wpływ na jednorodność grubości powłoki?

Odpowiedź:W wysokotemperaturowych procesach CVD płytki krzemowe nagrzewają się głównie w wyniku przewodzenia ciepła i promieniowania cieplnego z susceptora. Jeśli płaskość susceptora jest niska (np. > 0,20 mm), powstają nierówne szczeliny pomiędzy susceptorem a znajdującym się pod nim grzejnikiem, powodując lokalne zmiany temperatury. Jednocześnie nierówna powierzchnia zakłóca laminarny przepływ gazów reagentów, powodując lokalne wahania stężenia gazu i prędkości, które bezpośrednio objawiają się zmianami grubości warstwy od kieszeni do kieszeni.

P2: Jaka jest żywotność eksploatacyjna susceptorów grafitowych powlekanych CVD SiC firmy VeTek?

Odpowiedź:VeTek wykorzystuje powłoki z węglika krzemu CVD o ultrawysokiej czystości, zaprojektowane z myślą o precyzyjnym dopasowaniu współczynnika CTE do podłoża grafitowego. W wysokiej temperaturze 1200°C i w atmosferze korozyjnej H2/HCl wykazuje wyjątkową odporność na szok termiczny i obojętność chemiczną, zwykle wydłużając żywotność o 30% do 50% w porównaniu ze standardowymi susceptorami powlekanymi przemysłowo.

P3: Czy firma VeTek może zapewnić inżynierię na zamówienie, jeśli mamy dostosowane modele reaktorów epitaksjalnych CVD?

Odpowiedź:Tak. VeTek posiada pełne możliwości symulacji przepływu CVD/pola cieplnego oraz precyzyjny łańcuch przetwarzania CNC. Możemy przeprowadzić inżynierię odwrotną 1:1 lub optymalizację konstrukcyjną w oparciu o dostarczone przez klienta wymiary pieca, parametry przepływu powietrza lub starsze rysunki susceptorów.

P4: W jaki sposób precyzyjna płaskość susceptora jest chroniona przed uszkodzeniami transportowymi podczas transportu?

Odpowiedź:Wszystkie produkty susceptorów poddawane są czyszczeniu ultradźwiękowemu i antystatycznemu pakowaniu próżniowemu w pomieszczeniach czystych klasy 1000. Wnętrze jest zabezpieczone za pomocą dostosowanych do potrzeb modułów amortyzujących EVA o dużej gęstości, a część zewnętrzna jest pakowana w eksportowane fumigowane drewniane skrzynie, co zapewnia dostawę bez uderzeń.

VII. Wniosek

Podstawowa perspektywa: Wysokiej jakości półprzewodnikowe komponenty mechaniczne i termodynamiczne narzędzi stanowią bezpośrednią inwestycję w zwiększanie konkurencyjności odlewni.

Wdrażając symulację pola przepływu CVD, precyzyjną kontrolę oprzyrządowania i optymalizację powłoki CVD SiC na wielokieszeniowych susceptorach z epitaksją krzemowo-grafitową, firma VeTek Semiconductor z powodzeniem pomogła klientowi zmniejszyć różnice w grubości folii pomiędzy kieszeniami z 1,4% do 0,69%, doskonale rozwiązując długotrwały problem nierównomierności grubości folii.

Jeśli napotykasz również problemy techniczne, takie jak niejednorodność warstwy epitaksjalnej, odkształcenie susceptora grafitu, duże różnice między kieszeniami lub łuszczenie się powłoki CVD, nie wahaj się skontaktować z zespołem ekspertów technicznych VeTek Semiconductor, aby otrzymać ocenę pola swobodnego przepływu i dostosowany plan optymalizacji!