מבוא לזכוכית זכוכית ב Semiconductor Manufacturing

פחמן גלאסי, הידוע גם כפחמן vitreous, הוא חומר פחמן לא גרף פרס על השילוב הייחודי של תכונותיו.מבנה amorphous, הדומה לזכוכית ולא גרף גבישי, מספק יציבות תרמית יוצאת דופן (עם טמפרטורות עד 3,000 מעלות צלזיוס אטמוסממות), התנגדות כימית יוצאת דופן נגד חומצות, בסיסים, וhalogens, התנגדות חשמלית נמוכה, וכבדות גבוהה אלה מרכיבים אלקטרו-חמצני, כמו תרכובת, תרכובות למחצה, כמו תרכובות מתכת, חומרים כימיים, כמו מוליכים למחצה, מוליכים למחצה, כמו מגנטית, מגנטית, מגנטית, כמו מגנטית, מגנטית, כמו מגנטית, מגנטית, כמו מגנטית, מגנטית, מוליכים למחצה, מגנטית, כמו מגנטית, מגנטית, מגנטית, מגנטית, מגנטית, מוליכים למחצה, מגנטית, מוליכים למחצה, מוליכים למחצה, מגנטית, מגנטית, כמו מגנטית, מגנטית, מגנטית למחצה, כמו מגנטית, מגנטית, כמו מגנטית, מגנטית, מגנטית, מגנטית, מגנטית, מגנטית, כמו מגנטית, מוליכים למחצה, מוליכים למחצה, מוליכים למחצה, מוליכים למחצה, מוליכים למחצה, מגנטית, מגנטי

למרות היתרונות שלה, רכיבי פחמן מלוחים לעתים נכשלים בשירות, המוביל הפרעות ייצור יקרות, גרוטאות, וביצועים פגומים המכשיר.הבנת הסיבות השורש של כישלונות אלה הוא קריטי לשיפור האמינות ואת החיים של כלי ייצור למחצה. מאמר זה מספק ניתוח כשלון מקיף של חומרי פחמן מלוח בשימוש ביישומים מוליכים למחצה, בחינת מצבי כישלונות משותפים, טכניקות אנליטיות, ואסטרטגיות מיגנציה.

תכונות ייחודיות ואתגרים של פחמן גלאסי

פחמן גלאסי שואב את התנהגותו הייחודית מהמבנה שלו: רשת אקראית של אטומי פחמן sp2-bonded עם כמה שכבות גרפיטי.הסדר הזה מניבה אפקטיביות נמוכה של התרחבות תרמית (CTE) של בערך 2–3 × 10-6 / K, מוליכות תרמית גבוהה (יותר מ -100 W/mK), ורטימוס מעולה, עם זאת, המבנה מציג גם פרצות חום (x) נמוך יותר מ , בדרך כלל, 000 נקודות לוואי) מפצעים (R) פגום, 000) מוליכים למחצה, 000) , 000 מוליכים למחצה, 000 מוליכים למחצה, 000 , 000 מוליכים למחצה, 000 , 000 מוליכים למחצה, 000 , 000 , 000 , 000 , 000 , 000) יכול בדרך כלל יכול בדרך כלל, 000 מוליכים למחצה, 000 מוליכים למחצה מוליכים למחצה, 000 מוליכים למחצה, 000 פגום, 000 , 000 פגום, 000 פגום, 000 פגום, 000 מוליכים למחצה פגום, 000 פגום, 000 מוליכים למחצה, 000 פגום, 000 פגום, 000 פגום, 000 מוליכים למחצה פגום, 000 פגום, 000 פגום, 000 מוליכים למחצה

ייצור Semiconductor מטיל תנאים קיצוניים: מחזורי תרמי מהירים (למשל, קצבה תרמית מהירה מטמפרטורת החדר ל- 1100 מעלות צלזיוס בשניות), חשיפה לפריאות פלזמה המכילות פלואורין, כלור, או רדיקלים חמצן, ועומס מכני מטיפול וחיפוי. בתנאים אלה, רכיבי פחמן מלוחים חייבים לשמור על יציבות ממדית, שלמות פני השטח, וטוהר כדי למנוע זיהום, כל תהליך מתכתי, יכול להוביל.

מצבי כישלון נפוצים בזכוכיתy Carbon

כישלונות ברכיבי פחמן מזכוכית באים לידי ביטוי באמצעות מספר מנגנונים נפרדים, לעתים קרובות פועלים בשילוב.מצבי הכישלון העיקריים הם שבר מכני, לחץ תרמי סדקים, השפלה כימית, ודיכאון או כשל ציפוי כאשר שכבות מגן משמשים.

בושם מכני וסדקים

כשל מכני הוא המצב הנראה והביקורתי ביותר.קשות השבר הנמוכה של פחמן גלאסי הופכת אותו לרגישה לפצח את ההקדשות מאפסטים, הכללות או הרִיק.לאחר שיזם, סדקים מתפשטים במהירות תחת לחץ רב-מוליכים למחצה, מקורות משותפים של מתח מכני כוללים:

  • (ב) ,0) זעזועים קדמוניים (FLT) במהלך חימום מהיר או קירור, יצירת ⁇ טמפרטורה גדולה והתרחבות שונה.
  • (ב) מ[[1924]], [[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]]
  • (ב) מ"התח"ל (ב"ב) מ"משאבות, שסתום או טיפול ברובוטים שגורמים לעומס אופניים.
  • (ב) ,0) נזקי אמפט (FLT) ממגע מקרי במהלך תחזוקה או העברה.

משטחים Fracture בדרך כלל מציגים אזור חלק דמוי מראה ליד אתר ההתקדשות ואחריו אזור מפרה גס -כריזטריסטי של שבר שבור. לסרוק מיקרוסקופיה אלקטרונים (SEM) מגלה דפוס מולד דומה לשבר זכוכית, המאשר את האופי הכוסי של החומר. Catastrophic לעתים קרובות מתרחשת ללא התראה, מה שהופך את הגילוי המוקדם קשה.

לחץ כבד סדקים

גם ללא עומס מכני חיצוני, ⁇ תרמיים לבד יכול סדק מרכיבים פחמן מלוחים. CTE הנמוך של החומר עוזר, אבל את התלות תרמית הנמוכה שלו (בשילוב עם מוליכות תרמית גבוהה אבל צפיפות נמוכה) פירושו כי חלקים עבה חום ללא אחיד.לדוגמה, גרפן סומפטן דבק עם פחמן זכוכית עשוי לחוות מתחים אם תת-התתתת מרחיבים באופן שונה בטמפרטורה של MPaSTD (Ric) מזרז יותר מ- 60pceptr).

כישלונות הלחץ הארוכים לעתים קרובות מתחילים בפינות חדות, כאבים או חורים שבהם גורמי ריכוז הלחץ הם הגבוהים ביותר.שינויים עיצוב כגון קצוות עגולים, באמצעות ניתוחי צלב דקים, ולשלוט על שערי רמפה יכול להפחית את מצב הכשל הזה.

טביעת רגל כימית ומשטח Erosion

בעוד פחמן מזכוכית הוא מאוד אינרציה, זה לא חסין לתקוף בתנאים אגרסיביים של תהליכים למחצה מוליכים למחצה. חשיפה ממושכת לסביבות פלזמה המכילות רדיקלים פלואורין יכול לגרום לגרד משטח, מחוספס, ובסופו של דבר דק יותר.בתהליכי CVD, פיזור של חומרים כגון סיליקון או פחמן דמוי יהלום על פני השטח פחמן זכוכית יכול ליצור חוסר התאמה בטמפרטורות תרמיות, המוביל לדיכאון או ירידה של פחמן, כגון זיהום ברזל, כגון מדלקת נחושת, או ירידה מוגברת (דלקת ברזל).

השפלה כימית היא לעתים קרובות הדרגתית ומתבטאת כמגרעות פני השטח מוגברת, צבע, או מחיקה של אנרגיה דיספרסוסקופיה רנטגן (EDS) מגלה את נוכחותם של אלמנטים זרים, בעוד ראמן ספקטרום מראה שינויים בלהקות D ו G המציינים הפרעה מבנית. במקרים קיצוניים, הרכיב עשוי להתפתח באמצעות חורות או לאבד את התנהגות החשמל שלה.

כשלון וכישלון

רכיבי פחמן גלאסיים משמשים לעתים כ substrates עבור ציפויים סרט דק כגון סיליקון carbide, גרף prolytic גרפיט, או יהלום. ציפויים אלה מספקים הגנה נוספת או תכונות משטח ספציפיות.כישלון יכול להתרחש בממשק הציפוי-substrate בשל מתחנן גרוע, התרחבות תרמית לא תחרות, או interdiffusion של מינים. Delamination מתחיל לעתים קרובות על פני פגמים או פגמים ו proprereremetic in ampemates in ampemics in ampemts in ampemic חלקיקים.

שיטות ניתוח כשל עבור פחמן גלאסי

זיהוי שורש של כשל פחמן מכוסי דורש גישה שיטתית המשלבת כלים אנליטיים מרובים.כל טכניקה מספקת מידע משלים על מורפולוגיה, הרכב, המבנה, השלמות המכנית.

בדיקה חזותית ומיקרוסקופיות אופטית

הצעד הראשון הוא בדיקה חזותית זהירה תחת תאורה מבוקרת.דפוסים, צבע, שינויים על פני השטח, והפיקדונות החומריים הזרים מוקלטים.microscopy אופטית ב- Magifications up עד 1000x חושפת שריטות משטח, בורות ורשתות סדק מוקדמות. ניגודים שונים (DIC) משפר תכונות טופוגרפיים.

סורק אלקטרון מיקרוסקופיה (SEM)

SEM מספק תמונות ברזולוציה גבוהה של משטחים שבורים ואזורי ללבוש.הפעלה ב 5-20 kV, זה יכול לפתור תכונות למטה לכמה ננומטרים. ניתוח Fractographic מזהה אתרי סדקים (לעתים קרובות על פני השטח פגמים או גבולות דגנים), כיוון ה propagation, וכישלון (למשל, ריצוף ריצוף מתפתל מול אינטגרטורנרטור).

אנרגיה Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS)

EDS יחד עם SEM מאפשר ניתוח אלמנטרי של אזורים נבחרים או חלקיקים.זה מזהה אלמנטים פחמן למעלה, עם רגישות למטה -0.1 wt%. ממצאים נפוצים כוללים סיליקון, חמצן, chlorine, פלואורין, או מתכות.מיפוי ההפצה של contaminants מסייע לאתר את המקור - לדוגמה, נקודות ברזל ליד עדשות טיפול מציעות כלי.

X-ray Diffraction (XRD)

XRD מאשר את האופי המחריד של פחמן מזכוכית (בקיצור של 2 ⁇ -25°) ומזהה כל גבישי (למשל, שיא גרפיט ב 26.6 מעלות) שעלול להתרחש לאחר חשיפה ממושכת לטמפרטורה גבוהה. Crystallization יכול להפחית את ההתנגדות הכימית של החומר ולהגדיל את הגמישות.

ראומן Spectroscopy

[ה] ראומן spectroscopy הוא אולי הכלי החזק ביותר עבור סיווג פחמן אג"ח.הספקטרום מראה שתי להקות עיקריות: הלהקה G (~1580 ס"מ -1) מ- sp2 Carbon ו- D (1350 ס"מ) מהפרעה.היחס האינטנסיבי IFLT:0DFLT:1/IFreave:2GFLT 3: מציין פיזור מבני של גרף (R) מ-R.

ניתוח ה-RMOgravimetric Analysis (TGA) ו-Spoting Calorimetry (DSC)

TGA מודד ירידה במשקל במהלך חימום מבוקר באוויר או גז אינרטט.עבור פחמן מזכוכית, חמצון טמפרטורה (בדרך כלל מעל 600 מעלות צלזיוס באוויר) וירידה במשקל אחוז מצביעה על טוהר והתנגדות. DSC מגלה תגובות חריפות כגון חמצון או קריסטליזציה. בדיקות אלה מבוצעות על דגימות קטנות מנותקות ממרכיבים כושלים.

בדיקות מכניות

כדי להעריך את העוצמה השונית, מיקרו-עין-זיהוי (Vickers או Knoop) מודדים קשיחות והתנגדות סדק. 3 נקודות הדבקה או טבעת-על-ידי-טבעת ניתן לבצע על חיתוך הדגימה מהרכיב, אבל זה הרסני.עבור הערכה ב- in-situ, ניטור פליטה אקוסטי במהלך רכיבה תרמי יכול לזהות פעילות סדק.

תוצאות חיפוש: Glassy Carbon Fails

דוגמאות בעולם האמיתי ממחישות כיצד מצבי הכישלון הללו מתבטאים בייצור מוליכים למחצה.

מקרה 1: הלם תרמי במעבד מהיר

פחמן מזכוכיתי שמן susceptor בשימוש במערכת RTP פיתחה סדקים קורנל לאחר רק 500 מחזורים. Inspection חשף אתרי חניכה רבים בקצה החיצוני, ליד סימני מאצ'ינג קטנים. SEM הראה משטחים שברים חלק ללא התקפה כימית. EDS זיהה לא contaminants.הסיבה הייתה לחץ תרמי מעל הכוח של החומר במהלך שלב קירור.

מקרה 2: התפוצצות כימית ב- CVD אלקטרודה

אלקטרודה פחמן זכוכיתי בתא CVD מבוסס פלואורין איבדה 5% מהמסה שלה מעל 200 שעות של פעולה. Raman spectroscopy הראה עלייה משמעותית בעוצמתה של D, המציין נזק מבני. XPS זיהה פלואורין מחובר משטח פחמן.המנגנון הכשל היה התקפה רדיקלית שוברת אג"ח פחמן פחמן פחמן-פחמן, המוביל לשחיקה ודור חלקיקים.

מקרה 3: איסוף דלקמינציה על וואדה

להב פחמן מכוסה עם שכבת פחמן דמוי יהלום (DLC) החל לשפוך קשקשים לאחר 1000 ויפר העברות. Cross-סעיף SEM חשף את שכבת DLC נספגה בממשק, ללא קשר כימי חזק. מיפוי Auger הראה חמצן בממשק מפתרון טיפול לא מספיק לפני השטח: צעד ניקוי פלזמה לפני שפלציה השתפרה ומנעה עוד חיסון.

אסטרטגיות לשיפור עמידות הפחמן המשקפיים

בהתבסס על ממצאי ניתוח כישלונות, ניתן ליישם כמה אסטרטגיות כדי לשפר את חיי הרכיב ולהקטין את זמן השבת.

בחירה ותהליכים

לא כל ציוני הפחמן המרקיים שווים.ציון גבוה יותר עם פורוזיות נמוכה יותר (למשל, FLT:0Selecting the right כיתה for the Certain Process הוא קו ההגנה הראשון.

טכנולוגיות מתקפלות

ציפויים מוגנים יכולים להרחיב באופן דרמטי את החיים. סיליקון carbide (SiC) ציפויים שהופקדו על ידי CVD מציעים עמידות כימית מעולה וקשהות, עם אפקטיביות של התרחבות תרמית תואמת פחמן מלוחים. pyrolytic ציפויים גרפיטי לספק מחסום lubric, חדיר, permeable מחסום. עבור סביבות פלזמה, ytrium oxide (Y2O3)s משמשים גם כן להצלחה היא יעילה כדי למנוע ריצוף , החל מחוספס, או , החל מחוספסת, החל מחוספסה, או סוללת ניקוי, או סוללת ניקוי.

שיפור עיצוב

הגיאומטריה המתגבשת צריכה להימנע פינות חדות, חלקים מאופקים דקים, ושינויים פתאומיים בעובי.אנליזה של אלמנט יסוד פינטיט (FEA) של מתח תרמי ומכני במהלך השלבים החמורים ביותר יכולים לזהות כתמים חמים.שילוב תכונות הקלה בלחץ, כגון חריצים או קצוות מסרטנים, להפיץ עומסים באופן אפילו יותר.במקום אפשרי, להשתמש בפחמת זכוכית מונוליטית מאשר שיתוק כדי לחסל נקודות כישלונות.

תרגול הטוב ביותר

שיעורי הפחתת הטמפרטורה (למשל, <10 ° C /s), preheating של רכיבים גדולים, ו degassing יסודי לפני השימוש הראשון להפחית את הלחץ התרמית לוח הזמנים בדיקה רגיל באמצעות בדיקות חודר צבע או סריקה קולית לזהות משטח וסדקים subsurface מוקדם. שמירה על תהליך נקי עם סינון תקין של גזי תהליך ניקוי קבוע מצמצם את ההתקפה הכימית כדי לטפל בפחמי זכוכית עם חלקים מכניים (דפסים), באמצעות נזק מכני).

המונחים:

חיישני Inline כגון טרנסנפורמטי פליטות או ספקטרומטרים אופטיים יכולים לזהות סימנים מוקדמים של השפלה רכיב בזמן אמת.לדוגמה, עלייה של קווי פליטה מסוימים במהלך עיבוד פלזמה יכולה להצביע על שחיקה של אלקטרודה פחמן זכוכית.

כיוונים עתידיים: פחמן מתקדם ואלטרנטיבה

מחקרים מתקדמים נועדו לייצר פחמן מזכוכית עם תכונות משופרות.חדשנות כוללת פחמן מזכוכית ננוקלי, אשר שומר על המבנה amorphous אבל עם גדלים קטנים יותר קשיחות גבוהה יותר. פחמן פחמן מטבולי באמצעות פחמן מזכוכית כמו matrix להציע שבר מוגבר תוך שמירה על עמידות כימית.עוד כיוון מבטיח הוא השימוש של פחמן מכוסה עם גרפן או צינורות פחמן כדי לשפר תכונות חשמליות תרמיות.

עבור תהליכים מוליכים למחצה קיצוניים, חלופות לא פחמן כגון סיליקון carbide, אלומיניום nitride, או sapphire נחשבים לעתים, אבל פחמן זכוכיתי נשאר יעיל ורב צדדי. על ידי יישום ניתוח כשלון קפדני ושיפור מתמשך, תעשיית המוליכים למחצה יכול למזער את הסיכון של כשלי פחמן זכוכית ולשמור על תשואה גבוהה ייצור.

לקריאה נוספת על תכונות פחמן מלוחות וניתוח כשל, להתייעץ עם FLT:0 מדע ראשי סקירה כללית פחמן מצופה FLT:1, FLT:2Milton Roy Guide to Glassy Carbon ApplicationsFLT 3: ו-FLT:4AZoM מאמר על ייצור פחמן מזכוכית:5 משאבים אלה מספקים תובנה עמוקה יותר לאסטרטגיות של בחירה חומרית ומניעתן.