沈 橋 ，甘志銀

1.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢 430074

2.廣東昭信半導(dǎo)體裝備制造有限公司，廣東佛山 528251

0 引言

石墨具備耐高溫，熱膨脹系數(shù)小，熱穩(wěn)定性好，高溫下強(qiáng)度好，易加工等各種優(yōu)點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用于各種加熱設(shè)備的加熱基座，但石墨材料耐磨損性較差，易產(chǎn)生石墨粉體，在真空下容易釋放吸附氣體，嚴(yán)重制約了石墨是使用，因此高溫真空下使用時(shí)，必須對(duì)石墨基材進(jìn)行鍍膜處理。SiC涂層和石墨幾乎不發(fā)生界面反應(yīng)，有很好的化學(xué)物理相容性，并且熱膨脹系數(shù)的差距較小(石墨為5E-6(1/K)，SiC為3E-6(1/K))，容易在涂層與基體的界面處獲得良好的梯度過(guò)渡，是理想的改善石墨材料耐磨性和抗氧化性的涂層材料[1-3]。SiC涂層具有優(yōu)異的抗氧化性能、高溫力學(xué)性能、耐磨損、耐腐蝕性能以及良好的導(dǎo)熱性能，MOCVD等半導(dǎo)體行業(yè)的石墨盤的表面鍍膜廣泛采用SiC。

LED產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，MOCVD設(shè)備單爐產(chǎn)量的擴(kuò)大，首先表現(xiàn)為石墨盤的尺寸擴(kuò)大，從而導(dǎo)致高溫下石墨盤破損失效的幾率陡升，MOCVD設(shè)備對(duì)石墨盤的熱穩(wěn)定的要求越來(lái)越高。本文結(jié)合石墨盤破損的實(shí)際例子，通過(guò)模擬仿真論證石墨盤破損的可能性，提出一種熱穩(wěn)定性更好的石墨盤結(jié)構(gòu)，對(duì)MOCVD石墨盤的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

1 石墨盤失效形式

石磨盤的CTE約為5E-6(1/K)，楊氏模量為11.8GPa，抗拉強(qiáng)度為29 MPa。CVD制備SiC涂層的CTE為3E-6(1/K)，楊氏模量為490GPa，抗拉強(qiáng)度為170MPa。由于兩者力學(xué)性能的差異，高溫?zé)崤蛎浀南?，往往是由于SiC涂層先破損，然后導(dǎo)致石墨盤破損。在MOCVD設(shè)備中，石墨盤的失效形式有兩種：SiC涂層產(chǎn)生裂紋和石墨盤破裂。在MOCVD生長(zhǎng)工藝中，一旦SiC涂層破損，即使石墨盤尚未破損，由于石墨顆粒以及石墨吸附的氣體從SiC縫隙中擴(kuò)散到腔體中，污染工藝生長(zhǎng)環(huán)境，極大降低LED薄膜的質(zhì)量。石墨盤破裂則是石墨盤失效的最終形式，這種失效不僅直接導(dǎo)致本次工藝的失敗，而且加熱器熱邊界的突然變化，對(duì)加熱器產(chǎn)生動(dòng)載荷影響加熱器的穩(wěn)定性，石墨盤以及LED襯底（一般為藍(lán)寶石）破損產(chǎn)生的顆粒，對(duì)MOCVD設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行以及設(shè)備的絕緣性產(chǎn)生潛在威脅。

圖1 裂紋失效

圖2 破裂失效

2 石墨盤結(jié)構(gòu)及模擬模型

廣東昭信半導(dǎo)體裝備制造有限公司成功在國(guó)內(nèi)首先研制出生產(chǎn)型MOCVD（37X2’），具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的BDS 反應(yīng)腔體如圖3所示：

圖3 BDS 反應(yīng)腔體示意圖

本文仿真模型里主要包括：腔體壁面、石墨載片臺(tái)、石英支撐、石英整流罩、電阻片、加熱器反射板，并將中心三路入口簡(jiǎn)化為一路，將密集噴淋簡(jiǎn)化為噴淋面整體氣體入口。零件全部為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，且實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中具有石墨盤旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此采用二維軸對(duì)稱模型計(jì)算。模型結(jié)構(gòu)如圖4 所示。其中石墨盤直徑D=400mm，石墨盤距噴淋高度11mm。

圖4 幾何模型示意圖

2.1 加熱器正常下的石墨盤熱應(yīng)力

GaN的最高生長(zhǎng)溫度一般在1000℃～1100℃，MOCVD正常工作下，石墨盤上表面的徑向溫度分布如圖5，±1K溫差的有效區(qū)域達(dá)到石墨盤面積的88.6%。石墨表面在1000℃～1100℃下通過(guò)CVD工藝蒸鍍一層80μm～120μ m的SiC涂層[4-6]，東洋碳素SiC工藝溫度一般為1000℃，模擬仿真時(shí)熱力應(yīng)力參考溫度設(shè)為1000℃[7]。正常工作下的石墨盤最大熱應(yīng)力如圖6，最大應(yīng)力出現(xiàn)在SiC涂層內(nèi)，達(dá)到為81.67MPa，遠(yuǎn)小于CVD工藝SiC涂層170MPa的應(yīng)力極限。石墨材質(zhì)的最大熱應(yīng)力為2.77MPa，遠(yuǎn)低于石墨材質(zhì)30MPa的應(yīng)力極限。

圖6 正常工作下石墨盤最大熱應(yīng)力

2.2 A、B、C三區(qū)失效對(duì)比

調(diào)整A、B、C三區(qū)加熱片的功率，分別模擬三區(qū)中某一區(qū)由于特定原因（例如電源故障，PLC控制失效）導(dǎo)致功率密度為零，這種意外情況下的石墨盤應(yīng)力。

表1 熱應(yīng)力對(duì)比

B區(qū)功率缺失 101K 8.47 175.6 C區(qū)功率缺失 210K 12.4 236.7

三區(qū)加熱中，C區(qū)加熱片失效導(dǎo)致石墨盤溫差最大，石墨盤和SiC涂層的熱應(yīng)力也最大，SiC涂層的熱應(yīng)力達(dá)到236.7MPa，遠(yuǎn)大于CVD工藝SiC涂層170MPa的拉伸應(yīng)力極限。A區(qū)加熱片失效導(dǎo)致石墨盤溫差達(dá)到135K，內(nèi)部溫度梯度相對(duì)最小，熱應(yīng)力也最小僅為92.5MPa，沒(méi)有超過(guò)SiC涂層的應(yīng)力極限。B區(qū)電阻片失效，石墨盤溫差最低，但是相對(duì)于A區(qū)加熱片失效，石墨盤內(nèi)部溫度梯度約為A區(qū)加熱片失效的1.5倍～2倍，其熱應(yīng)力也遠(yuǎn)大于A區(qū)失效，SiC涂層最大應(yīng)力達(dá)到175.6MPa。

2.3 升溫過(guò)程中的熱應(yīng)力

圖7 加熱器升溫曲線

MOCVD加熱器通過(guò)PID三區(qū)獨(dú)立控溫，一個(gè)典型的升溫曲線如圖7。可以看到，溫度曲線是收斂的，這說(shuō)明采用PID控制方法，在一定的時(shí)間內(nèi)，可以使石墨盤表面的溫度達(dá)到設(shè)定值。另一方面，三區(qū)獨(dú)立控溫造成三區(qū)升溫不同步，某一時(shí)刻的最大溫差可以達(dá)到50℃，最大熱應(yīng)力達(dá)到70MPa左右，雖然沒(méi)有超過(guò)最大允許應(yīng)力，但是在反復(fù)的升降溫過(guò)程中，非常容易導(dǎo)致疲勞損壞，導(dǎo)致石墨盤產(chǎn)生裂紋而失效。

2.4 石墨盤結(jié)構(gòu)對(duì)熱可靠性的影響

MOCVD生產(chǎn)廠家中，一般采用如下兩種石墨盤結(jié)構(gòu)，第一種以德國(guó)Aixtron和廣東昭信半導(dǎo)體裝備制造有限公司為代表，如圖8，第二種以美國(guó)VECCO為代表，如圖9。分別模擬兩種石墨盤結(jié)構(gòu)在正常溫差±1K情況下和C區(qū)加熱器失效的最大熱應(yīng)力情況下的應(yīng)力分布情況，兩種結(jié)構(gòu)最大外徑200mm，厚度9mm，模擬結(jié)果如表2。

圖8 U型結(jié)構(gòu)石墨盤

圖9 平板型結(jié)構(gòu)石墨盤

比較兩種結(jié)構(gòu)，可以看出，無(wú)論是正常溫差下還是最大熱應(yīng)力情況下，平板型結(jié)構(gòu)石墨盤 的熱應(yīng)力明顯小于U型結(jié)構(gòu)石墨盤，平板型結(jié)構(gòu)石墨盤的石墨盤即使在最大熱應(yīng)力情況下，熱應(yīng)力也沒(méi)有超過(guò)材料的應(yīng)力極限。平板型結(jié)構(gòu)石墨盤 的石墨盤在熱可靠性方面明顯由于U型結(jié)構(gòu)石墨盤，這主要是由于U型結(jié)構(gòu)石墨盤的石墨盤有相當(dāng)部分的結(jié)構(gòu)位于側(cè)面，這部分結(jié)構(gòu)的溫度遠(yuǎn)低于石墨盤有效區(qū)域的溫度，從而約束了石墨盤的熱脹冷縮，產(chǎn)生大量熱應(yīng)力。

表2 兩種結(jié)構(gòu)的熱應(yīng)力對(duì)比

平板型結(jié)構(gòu) 2K 0.3 9.73

基于以上分析，平板型結(jié)構(gòu)石墨盤的石墨盤在熱可靠性方面明顯由于U型結(jié)構(gòu)石墨盤 ，下面分析平板型結(jié)構(gòu)石墨盤的兩個(gè)主要參數(shù)厚度h和半徑R對(duì)熱應(yīng)力的影響。

2.5 石墨盤厚度對(duì)熱可靠性的影響

假設(shè)石墨盤溫度為最大熱應(yīng)力工況，此時(shí)C區(qū)溫度失效，熱應(yīng)力最大。改變石墨盤的有效厚度，可以看出，石墨盤有效厚度從7mm增加到9mm，熱應(yīng)力從136.3MPa上升到138.6MPa，熱應(yīng)力略有上升，但都未超過(guò)材料的極限熱應(yīng)力。厚度對(duì)石墨盤的熱可靠性影響很小。

圖10 石墨盤厚度對(duì)熱應(yīng)力的影響

2.6 石墨盤直徑對(duì)熱可靠性的影響

假設(shè)石墨盤溫度為最大熱應(yīng)力工況，此時(shí)C區(qū)溫度失效，熱應(yīng)力最大。在保證石墨盤內(nèi)部溫度梯度相同的情況下，改變石墨盤的有效半徑，可以看出，石墨盤有效半徑從150增加到250mm，熱應(yīng)力從118.7MPa迅速上升到166.8MPa，半徑250mm時(shí)都已經(jīng)接近材料的極限熱應(yīng)力。石墨盤半徑對(duì)石墨盤的熱可靠性影響很大，這也印證了隨著MOCVD單爐產(chǎn)量的越來(lái)越大，石墨盤裂紋失效和破損失效越來(lái)越頻繁的發(fā)生。

3 結(jié)論

1）概括了MOCVD設(shè)備石墨盤失效的兩種失效方式，即裂紋失效和破損失效；

2）結(jié)合實(shí)際情況，模擬了正常工況下和三區(qū)中某一區(qū)加熱失效情況下的熱應(yīng)力，從理論上論述了C區(qū)加熱失效最容易導(dǎo)致石墨盤破損；

3）加熱器三區(qū)獨(dú)立控溫，石墨盤升溫不同步，導(dǎo)致產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，在反復(fù)升降溫的過(guò)程中極易導(dǎo)致疲勞損壞，產(chǎn)生裂紋失效；

4）對(duì)比兩種主流的石墨盤結(jié)構(gòu)，平板型結(jié)構(gòu)石墨盤 在熱可靠性方面明顯優(yōu)于U型結(jié)構(gòu)石墨盤；

5）分析影響平板型結(jié)構(gòu)石墨盤 熱可靠性的兩個(gè)主要因素，石墨盤的熱應(yīng)力隨著直徑的增大而明顯增大，但是熱應(yīng)力對(duì)石墨盤厚度的變化不敏感。

圖11 直徑對(duì)熱應(yīng)力的影響

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