Zakaj je grafit visoke čistosti ključnega pomena za nadzor napak epitaksije SiC

Na kakovost proizvedene rezine silicijevega karbida (SiC) vplivajo že majhne spremembe v rastnem okolju. Področje, ki ga mnogi ne upoštevajo, je grafitna obloga reaktorja. Ta prenese preizkus intenzivne vročine v reaktorju, medtem ko podpira in pozicionira rezino med epitaksijo. Če je grafit nečist ali nepravilno strukturiran, se lahko med rastnim procesom odložijo majhni delci materiala ali neželena reakcija. Majhne težave na površini grafita se lahko razvijejo v večje napake rezine, kar povzroči več dela in nižje donose za proizvajalce čipov. Zato je pomembno stanje in čistoča... Grafitni susceptor je pomembnejše vprašanje, kot bi si večina mislila.

Kako čistost grafita vpliva na težave z delci v epitaksijskih komorah?

Delci so razširjena napaka rezin v epitaksijskih komorah SiC in v proces pogosto vključujejo grafit. Grafitni deli se nahajajo v vroči coni reaktorja SiC, kjer nosijo rezino in vplivajo na toplotne konture. Pri uporabi manj čistega grafita se lahko sledovi nečistoč, kot so kovinski onesnaževalci, pepel ali ostanki procesa, sčasoma med visokotemperaturno rastjo počasi izločajo iz grafita. Izpuščene nečistoče so v komori pogosto nezaznavne, vendar sčasoma pristanejo na površini rezine ali postanejo del plinske faze. Na primer, v eni od aplikacij se je tovarna odločila za grafit nižje kakovosti zaradi prihranka stroškov. Čeprav med kratkimi serijami sprva ni bilo opaziti težav, je po več ciklih ... Sic epitaksija Na površini rezine so opazili naključne luknjice in hrapave lise. Vir takšnih napak so izsledili v mikro delcih, ki jih oddaja grafitni nosilec ali susceptor. Delci bi vstopili v rastno komoro in delovali kot semena na nezaželen način. Neenakomerna gostota grafitnega dela bi prav tako prispevala k mikrorazpokam na površini dela pri segrevanju, kar bi sčasoma povzročilo odlaganje drobnih delcev v komoro, čeprav je del morda videti čist. Zato je spremljanje vira grafita in njegove zgodovine rutinska naloga v tovarnah, da se preprečijo napake, povezane z delci. Na splošno je zaželen grafit visoke čistosti z nadzorovano količino pepela, zlasti za dolgoročne proizvodnje. Spremlja se tudi število toplotnih ciklov delov, saj bodo materiali odlagali delce tudi po dobri začetni obdelavi. Na napake vpliva tudi način vzdrževanja grafitnih delov. Na primer, agresivni postopki čiščenja bi poškodovali površino grafita in povzročili mikrorazpoke. Prednostna metoda je blag, nadzorovan postopek čiščenja z minimalno fizično interakcijo z grafitnimi deli. Zaradi ekonomskih razlogov je morda boljša zamenjava delov prej, kot je bilo pričakovano, kot pa soočanje z izgubo izkoristka v poznejših fazah. Na kratko, nadzor nastajanja delcev v tipičnem postopku epitaksije SiC se vrti okoli majhnih podrobnosti o kakovosti materiala in postopkih ravnanja. V središču vsega je vprašanje kakovosti grafita.

Materialne zahteve za vrhunske epitaksialne dele in susceptorje iz SiC

Pri epitaksiji SiC deli v reaktorju niso le za "držanje" rezine. Susceptorji, nosilci grafita in komponente vroče cone v reaktorju neposredno vplivajo na rast kristalov. Zato so materiali zelo zahtevni in majhna napaka se sčasoma pokaže kot napaka na rezini. Visoka toplotna stabilnost je temeljna zahteva. Deli se dolgo časa segrevajo na zelo visoke temperature (včasih s ponavljajočimi se cikli segrevanja/hlajenja). Material, ki pri teh temperaturah ne more vzdrževati stabilnosti, se bo deformiral in sčasoma lahko razpoka. Majhne spremembe geometrije lahko znatno spremenijo pretok plina in porazdelitev toplote, kar povzroči neenakomerno rast kristalov na površini rezine. Čistost je še en kritični dejavnik. Visokokakovostni postopki SiC zahtevajo zelo nizko vsebnost kovin in zelo nizko raven pepela v komponentah na osnovi grafita. Med delovanjem se sledovi kovin počasi izlužujejo iz delov, onesnaževalci lahko difundirajo v komoro in povzročijo kontaminacijo z delci ali lokalne kristalne napake. V nekaterih tovarnah je bila naključna napaka zlaganja izsledena do ene same serije onesnaženega susceptorja. Površinska struktura je pomembna zahteva. Gladka in enakomerna površina bo pomagala zmanjšati odpadanje delcev med ciklom segrevanja/hlajenja. Neenakomerna površina ali pore v površinski strukturi se bodo med delovanjem nenehno razgrajevale in tako ustvarjale stalen vir delcev v komoro. Kakovost prevleke je prav tako bistvena zahteva. Mnogi vrhunski susceptorji uporabljajo SiC prevleko kot zaščitno plast. Prevleka se mora dobro oprijeti osnovnega materiala in mora prenesti dolgotrajno delovanje. Slaba vezava in luščenje neposredno izpostavita osnovni grafit ostremu reakcijskemu okolju. To pogosto vidimo v resničnih aplikacijah: na primer, tovarna rezin, ki deluje v dolgi proizvodni seriji, bo opazila, da se stopnja napak po stotinah ciklov enakomerno povečuje. Pregled susceptorja bo razkril rahlo obrabo prevleke in erozijo robov. Zamenjava komponente bo stopnjo napak vrnila na sprejemljivo raven. Izbira pravih materialov ni le začetna zmogljivost komponent, temveč tudi za stabilnost materiala v ponavljajočih se ciklih.

Vpliv strukture zrn na toplotno stabilnost v sistemih AIXTRON G10

Zrnata struktura grafitnih komponent znotraj visokotemperaturnega SiC Rast epitaksije Sistem, kot je AIXTRON G10, močno vpliva na toplotno stabilnost. To se nanaša na dimenzijske spremembe, ohranjanje oblike in odziv na toplotno cikliranje. Grafit ni monolitna trdna snov. Sestavljen je iz številnih kristalitov ali zrn. Posamezni kristaliti imajo lahko različne orientacije. Če je nadzor nad velikostjo zrn znotraj grafitne komponente slab, pride do neenakomerne porazdelitve toplote. Območja komponente se segrevajo in ohlajajo z različnimi hitrostmi. To ustvarja notranjo napetost na mikro ravni. Sčasoma ta notranja napetost povzroči upogibanje ali popačenje v delih, kot sta susceptor ali nosilec rezine. Ta proces je med proizvodnjo enostavno prepoznati. Običajno se pojavi, ko linija za rezine deluje pri visokih temperaturah. Kakovost rezin se začne po stotinah toplotnih ciklov spreminjati. Povečajo se razlike v debelini, robne napake pa se začnejo pojavljati pogosteje. Ko so ti deli pregledani, imajo običajno znake upogibanja ali utrujenosti materiala. Drobnozrnate strukture z nadzorovano porazdelitvijo kristalitov bodo imele veliko boljšo toplotno stabilnost kot groba zrna ali naključne strukture. To bo povzročilo bolj enakomeren prenos toplote in zmanjšalo lokalizirane napetostne točke. Z ustrezno zrnato strukturo se bodo deli uprli upogibanju tudi po stotinah toplotnih ciklov. Grobe strukture ali slabo porazdeljene zrnate strukture povzročajo šibke točke znotraj dela, kar omogoča nastanek mikrorazpok in sčasoma sproščanje delcev v komoro. Drugo ključno vprašanje, ki ga je treba upoštevati, je odpornost na toplotni šok. Obstajajo točke, kjer se del znatno spremeni v temperaturi, na primer pri vlaganju v reaktor ali pri odstranjevanju. Če so med zrni šibke meje, se lahko vzdolž linij zrn oblikujejo mikrorazpoke. Čeprav to običajno ne povzroči odpovedi dela, omogoča, da se te šibkosti oblikujejo v materialu, kar vodi do težav z zanesljivostjo v prihodnosti. Večina tovarn spremlja življenjsko dobo dela tako po uporabljenih urah kot po številu toplotnih ciklov in skupni toplotni obdelavi. Deli z dobro zasnovano zrnato strukturo imajo daljšo življenjsko dobo in bolj dosledne rezultate skozi čas.

Zmanjšanje kovinske kontaminacije v visoko čistih grafitnih komponentah

Ena od "nevidnih", a kritičnih težav pri katerem koli grafitnem delu, vključno s postopkom epitaksije SiC, je kovinska kontaminacija. Že majhne sledi kovin v grafitnem delu se lahko izlužijo v proces in postanejo vir težko sledljivih napak v reaktorju za epitaksijo SiC, kot je AIXTRON G10. Takšne kovine običajno izvirajo iz surovin ali različnih korakov obdelave, ki so vključeni v izdelavo grafitne komponente. Elementi, kot so železo, nikelj, kalcij in natrij, so pogosti in ostanejo ujeti v večjem delu grafita pri sobni temperaturi, vendar lahko pri povišani procesni temperaturi, ki se uporablja pri epitaksiji SiC, ti elementi postanejo mobilni. Te sledove kovin lahko sčasoma sprostijo pline ali migrirajo na površino med ponavljajočimi se cikli segrevanja/hlajenja v vroči coni, in sicer v susceptorju ali samem nosilcu rezine. Tipičen primer bi bil takšen: tovarna začne proizvodno serijo z novimi grafitnimi deli. Prvih nekaj rezin je v redu in ne kaže napak, vendar se po določenem času začnejo pojavljati majhne napake. Običajno so to drobne jamice, naključne napake skladov ali nepojasnjeni dogodki delcev. Med čiščenjem komore je enostavno zmotno posumiti na napačen pretok plina ali kontaminacijo. Toda podrobna analiza pogosto pripelje do počasnega sproščanja sledov kovin iz grafitnih komponent. Nadzor čistosti grafita je eden od ključev. Za kritične komponente je vedno prednosten grafit, prečiščen pri visoki temperaturi, z nizko vsebnostjo pepela. Ta korak čiščenja odstrani večino kovinskih ostankov. Tak grafit lahko zadrži elemente ujete dlje časa, tudi pri ponavljajočih se ciklih segrevanja/hlajenja. V nekaterih tovarnah je zelo pomemben tudi vhodni pregled grafitnih delov. Testiranje grafitnih serij s tehnikami, kot sta ICP-OES ali XRF, lahko prepreči uporabo kontaminiranih delov. Prav tako lahko prepreči mešanje delov iz različnih virov znotraj istega procesnega toka. Premazi, kot sta SiC ali TaC, prav tako pomagajo rešiti težavo, saj delujejo kot pregrada med grafitnim delom in procesnim okoljem. Dokler je premaz dobro nanesen in vezan na osnovno grafitno podlago, bo zmanjšal interakcijo grafitnega dela s procesnim okoljem. Nenazadnje je pomembno ravnanje z grafitnimi deli in njihovo shranjevanje. Grafitni deli se lahko kontaminirajo med ravnanjem z umazanimi rokavicami, instrumenti ali s shranjevanjem na nečisti polici. Ta površinska kontaminacija lahko nato med ogrevalnim ciklom pride v peč. Za zmanjšanje kovinske kontaminacije grafitnih delov je treba zbrati veliko majhnih prizadevanj. Potreben je material visoke čistosti v kombinaciji z dobro prakso ravnanja in strogim nadzorom procesa.

Zakaj Veeco EPIK sistemi zahtevajo grafitne materiale z izjemno nizko poroznostjo?

Grafitni deli v platformi Veeco EPIK Systems so podvrženi enim najtežjih procesnih pogojev v proizvodnji polprevodnikov. Te komponente so izpostavljene pogojem visoke temperature, agresivne plinske kemije in dolgih procesnih ciklov. Grafit z ultra nizko poroznostjo je zato ključnega pomena za ohranjanje celovitosti in čistoče SiC epitaksije. Poroznost se nanaša na majhne notranje pore, ki obstajajo v samem grafitnem telesu. Kljub popolnoma gladki površini lahko obstajajo notranje pore, ki lovijo procesne pline, ostanke in čistilne kemikalije. Visoka poroznost pomeni večjo notranjo prostornino za lovljenje, kjer se lahko material po izpostavljenosti visoki temperaturi počasi razplinja. To razplinjevanje ni vedno linearno in lahko povzroči pokanje, zaradi česar je proces težko nadzorovati. Pri SiC epitaksiji je to še posebej škodljivo. Ko se plini sproščajo iz grafitnega telesa, se lahko vključijo v pretok plina v epitaksijski komori, kar prispeva k neželenim delcem. Delci bodo našli pot na površino rezine, kar bo vplivalo na rast kristalov in lahko povzročilo nepričakovane napake, kot so naključne jamice, hrapavost površine ali lokalne razlike v debelini rezine. Tipičen scenarij je na proizvodnih rampah, kjer čista tovarna prejme nove grafitne dele za sistem EPIK. Začetni rezultati so lahko sprejemljivi, vendar se lahko s ponavljanjem termičnih ciklov stopnja napak poveča in pregled procesnega traku, vključno s plinovodi, ventili in fazami čiščenja, morda ne bo pokazal ničesar očitnega. Pogosto se izkaže, da je krivec grafit z nizko poroznostjo znotraj visokotemperaturnega območja. Izbira grafita z ultra nizko poroznostjo učinkovito zmanjša to tveganje z omejevanjem notranjih volumnov, v katerih se lahko skrivajo ujete snovi, s čimer se zmanjša verjetnost nenadnega sproščanja plina pri segrevanju. Povezano je tudi z boljšo mehansko celovitostjo. Gostejša struktura grafita z ultra nizko poroznostjo običajno ponuja večjo odpornost proti razpokam, ko grafit podvržemo ponavljajočim se termičnim ciklom. Poleg tega površine z nizko poroznostjo spodbujajo izboljšano celovitost prevleke. Ko se SiC ali drugi ognjevzdržni materiali nanesejo na te grafitne površine, se dobro oprimejo manj porozne površine. To je verjetno posledica povečane intimnosti vezi med prevlečenim materialom in grafitom, kar posledično poveča vzdržljivost in življenjsko dobo prevlek ter njihovo možnost luščenja ali odkruškov. Konec koncev izbira grafita z ultra nizko poroznostjo v vsakodnevnem scenariju izdelave, čeprav je lastnost materiala, zagotavlja zelo neposredno korist pri doseganju stabilnih, čistih in predvidljivih rezultatov rezin v vrhunskih postopkih epitaksije SiC.