Чому високочистий графіт є критично важливим для контролю дефектів епітаксії SiC

На якість виготовленої пластини з карбіду кремнію (SiC) впливають навіть незначні зміни в середовищі росту. Багато хто не враховує графітове покриття реактора. Воно витримує випробування інтенсивним нагріванням всередині реактора, під час підтримки та позиціонування пластини під час епітаксії. Якщо графіт забруднений або має неправильну структуру, протягом процесу росту можуть відкладатися дрібні частинки матеріалу або внаслідок небажаної реакції. Невеликі проблеми на поверхні графіту можуть перерости у великі дефекти пластини, що призведе до збільшення обсягу роботи та зниження виходу для виробників мікросхем. Таким чином, стан та чистота... Графітовий сусцептор є важливішим питанням, ніж більшість вважає.

Як чистота графіту впливає на проблеми з частинками в епітаксійних камерах?

Частинки є поширеним дефектом пластин у камерах епітаксії SiC і часто залучають графіт до процесу. Графітові частини знаходяться в гарячій зоні SiC-реактора, несучи пластину та впливаючи на теплові контури. При використанні менш чистого графіту, слідові домішки, такі як металеві забруднення, зола або залишки процесу, можуть повільно виділятися з графіту під час високотемпературного росту. Домішки, що виділяються, часто не виявляються в камері, але зрештою вони потрапляють на поверхню пластини або стають частиною газової фази. Наприклад, в одному випадку завод обрала графіт нижчого сорту для економії коштів. Хоча спочатку під час коротких серій проблем не було виявлено, після кількох циклів... Sic епітаксія На поверхні пластини спостерігалися випадкові отвори та шорсткі плями. Джерелом таких дефектів були мікрочастинки, що викидаються з графітового тримача або токоприймача. Частинки потрапляли в камеру росту та діяли як зародки небажаним чином. Нерівномірна щільність графітової деталі також сприяла мікротріщиноутворенню на поверхні деталі при нагріванні, що призводило до осипання дрібних частинок у камеру з часом, навіть якщо деталь може здаватися чистою. Таким чином, моніторинг джерела графіту та його історії є рутинним завданням на фабриках, щоб уникнути дефектів, пов'язаних з частинками. Загалом бажано використовувати графіт високої чистоти з контрольованою кількістю золи, особливо для тривалого виробництва. Також контролюється кількість термічних циклів деталей, оскільки матеріали будуть осипати частинки навіть після гарної початкової обробки. Крім того, метод обслуговування графітових деталей впливає на дефекти. Наприклад, агресивні процедури очищення можуть пошкодити поверхню графіту та призвести до мікротріщин. Переважним методом є м'який, контрольований процес очищення з мінімальною фізичною взаємодією з графітовими деталями. З економічних міркувань, заміна деталей раніше, ніж очікувалося, може бути кращою, ніж боротьба з втратою виходу на пізніших етапах. Коротко кажучи, контроль утворення частинок у типовому процесі епітаксії SiC обертається навколо дрібних деталей щодо якості матеріалу та методів обробки. Питання якості графіту є основою справи.

Вимоги до матеріалів для високоякісних епітаксіальних деталей та токоприймачів з карбіду кремнію (SiC)

Для епітаксії SiC деталі в реакторі призначені не лише для «утримання» пластини. Сусцептори, графітові носії та компоненти гарячої зони в реакторі безпосередньо впливають на ріст кристалів. Ось чому матеріали є дуже вимогливими, і невеликий дефект зрештою проявиться як дефект на пластині. Висока термічна стабільність є фундаментальною вимогою. Деталі нагріваються до дуже високих температур протягом тривалого часу (іноді повторювані цикли нагрівання/охолодження). Матеріал, який не може підтримувати стабільність при цих температурах, деформується і зрештою може тріснути. Незначні зміни геометрії можуть суттєво змінити потік газу та розподіл тепла, що призведе до неоднорідного росту кристалів на поверхні пластини. Чистота є ще одним критичним фактором. Високоякісні процеси SiC вимагають дуже низького вмісту металу та дуже низького рівня золи в компонентах на основі графіту. Під час роботи слідові метали повільно вилуговуються з деталей, забруднювачі можуть дифундувати в камеру та призводити до забруднення частинками або локальних дефектів кристалів. У деяких заводах випадкові дефекти пакування були пов'язані з однією партією забрудненого сусцептора. Структура поверхні є важливою вимогою. Гладка та рівна поверхня допоможе зменшити осипання частинок під час циклу нагрівання/охолодження. Неоднорідна поверхня або пори в структурі поверхні будуть постійно руйнуватися під час роботи та, таким чином, створювати постійне джерело частинок у камеру. Якість покриття також є ще однією важливою вимогою. Багато високоякісних токоприймачів використовують покриття SiC як захисний шар. Покриття повинно добре прилипати до основного матеріалу та витримувати тривалу експлуатацію. Погане зчеплення та розшарування безпосередньо піддають базовий графіт впливу жорсткого реакційного середовища. Ми часто бачимо це в реальних застосуваннях: наприклад, на виробництві пластин, яке працює над великою партією виробництва, спостерігається стабільне зростання рівня дефектів після сотень циклів. Огляд токоприймача виявить незначний знос покриття та ерозію країв. Заміна або заміна компонента поверне рівень дефектів до прийнятного рівня. Вибір правильних матеріалів – це не лише початкова продуктивність компонентів, але й стабільність матеріалу в повторних циклах.

Вплив структури зерен на термічну стабільність у системах AIXTRON G10

Зерниста структура графітових компонентів усередині високотемпературного SiC Епітаксійний ріст Система, така як AIXTRON G10, значно впливає на термостабільність. Це стосується зміни розмірів, збереження форми та реакції на термоциклування. Графіт не є монолітним твердим тілом. Він складається з численних кристалітів або зерен. Окремі кристаліти можуть мати різну орієнтацію. При поганому контролі розміру зерен у графітовому компоненті виникає нерівномірний розподіл тепла. Ділянки компонента нагріваються та охолоджуються з різною швидкістю. Це створює внутрішню напругу на мікрорівні. Повільно, з часом, ця внутрішня напруга викликає деформацію або спотворення в таких деталях, як токоприймач або носій пластини. Цей процес легко виявити під час виробництва. Зазвичай він з'являється, коли лінія пластин працює при високих температурах. Якість пластини починає погіршуватися після сотень термоциклів. Збільшуються коливання товщини, а дефекти країв починають з'являтися частіше. Після огляду цих деталей вони зазвичай мають ознаки деформації або втоми матеріалу. Дрібнозернисті структури з контрольованим розподілом кристалітів матимуть набагато кращу термостабільність, ніж грубозернисті або випадкові структури. Це призведе до більш рівномірної теплопередачі та зменшення кількості локальних точок напруження. Завдяки правильній структурі зерен деталі будуть стійкими до деформації навіть протягом сотень термічних циклів. Грубі структури або погано розподілені структури зерен призводять до утворення слабких місць у деталі, що дозволяє утворювати мікротріщини та зрештою вивільняти частинки в камеру. Ще одним ключовим питанням, яке слід враховувати, є стійкість до теплового удару. Існують точки, де деталь зазнає значних змін температури, наприклад, під час завантаження в реактор або після видалення. Якщо між зернами є слабкі межі, то вздовж ліній зерен можуть утворюватися мікротріщини. Хоча це зазвичай не призводить до виходу з ладу деталі, це дозволяє цим слабким місцям утворюватися в матеріалі, що призводить до проблем з надійністю в майбутньому. Більшість заводів відстежують термін служби деталі як за кількістю використаних годин, так і за кількістю термічних циклів та загальною термічною обробкою. Деталі з добре спроектованою структурою зерен мають довший термін служби та більш стабільні результати з часом.

Зменшення металевого забруднення у високочистих графітових компонентах

Одна з «невидимих», але критичних проблем у будь-якій графітовій деталі, включаючи процес епітаксії SiC, полягає в забрудненні металом. Навіть незначні сліди металів у графітовій деталі можуть потрапляти в процес і ставати джерелом важкодоступних дефектів у реакторі SiC епітаксії, такому як AIXTRON G10. Такі метали зазвичай походять із сировини або різних етапів обробки, що беруть участь у виробництві графітового компонента. Такі елементи, як залізо, нікель, кальцій і натрій, є поширеними та залишаються в основній масі графіту при кімнатній температурі, проте при підвищеній температурі процесу, що використовується в епітаксії SiC, ці елементи можуть стати рухливими. Ці сліди металів можуть зрештою дегазуватися або мігрувати на поверхню під час повторних циклів нагрівання/охолодження в гарячій зоні, а саме в сусцепторі або самому носії пластини. Типовий випадок буде таким: завод починає виробничу партію, використовуючи нові графітові деталі. Перші кілька пластин в порядку та не мають дефектів, але через певний період починають з'являтися невеликі дефекти. Зазвичай це крихітні ямки, випадкові дефекти стека або незрозумілі події частинок. Легко помилково запідозрити неправильний потік газу або забруднення під час очищення камери. Але детальний аналіз часто призводить до повільного вивільнення слідів металів з графітових компонентів. Контроль чистоти графіту є одним з ключових моментів. Для критичних компонентів завжди перевага надається графіту, очищеному за високої температури, з низьким вмістом золи. Цей етап очищення видаляє більшу частину металевого залишку. Такий графіт може утримувати елементи в пастці протягом тривалішого часу навіть при багаторазових циклах нагрівання/охолодження. Вхідний контроль графітових деталей також дуже важливий на деяких заводах. Тестування партій графіту за допомогою таких методів, як ICP-OES або XRF, може запобігти використанню забруднених деталей. Це також може запобігти змішуванню деталей з різних джерел в одному технологічному потоці. Покриття, такі як SiC або TaC, також допомагають вирішити проблему, діючи як бар'єр між графітовою деталлю та технологічним середовищем. Якщо покриття добре нанесено та зв'язане з нижньою графітовою підкладкою, воно зменшить взаємодію графітової деталі з технологічним середовищем. І останнє, але не менш важливе - це поводження та зберігання графітових деталей. Графітові деталі можуть бути забруднені під час роботи з брудними рукавичками, інструментами або під час зберігання на брудній полиці. Це поверхневе забруднення може потім потрапити в піч під час циклу нагрівання. Щоб зменшити металеве забруднення графітових деталей, потрібно докласти багатьох невеликих зусиль. Потрібен матеріал високої чистоти в поєднанні з належною практикою поводження та суворим контролем процесу.

Чому системи Veeco EPIK вимагають графітових матеріалів з наднизькою пористістю?

Графітові деталі на платформі Veeco EPIK Systems проходять одні з найсуворіших технологічних умов у виробництві напівпровідників. Ці компоненти працюють в умовах високої температури, агресивної газової хімії та тривалих технологічних циклів. Тому графіт з наднизькою пористістю є критично важливим для підтримки цілісності та чистоти SiC епітаксії. Пористість стосується дрібних внутрішніх пор, які існують у самому графіті. Незважаючи на ідеально гладку поверхню, внутрішні пори можуть утримувати технологічні гази, залишки та очищувальні хімікати. Висока пористість означає більший внутрішній об'єм для утримання, де після впливу високої температури матеріал може повільно дегазуватися. Ця дегазація не завжди лінійна і може призвести до вибухів, що ускладнює контроль процесу. У SiC епітаксії це особливо негативно. Коли гази вивільняються з графіту, вони можуть бути включені в потік газу в епітаксіальній камері, сприяючи утворенню небажаних частинок. Частинки потрапляють на поверхню пластини, впливаючи на ріст кристалів і можуть призвести до неочікуваних дефектів, таких як випадкові ямки, шорсткість поверхні або локальні коливання товщини пластини. Типовий сценарій зустрічається на виробничих рампах, де чиста фабрика отримує нові графітові деталі для системи EPIK. Початкові результати можуть бути прийнятними, проте, оскільки термічні цикли повторюються, рівень дефектів може зростати, і перевірка технологічної лінії, включаючи газопроводи, клапани та етапи процесу очищення, може не виявити нічого очевидного. Часто виявляється, що винуватцем є графіт з низькою пористістю в зоні високої температури. Вибір графіту з наднизькою пористістю ефективно мінімізує цей ризик, обмежуючи внутрішні об'єми, в яких можуть бути приховані захоплені частинки, мінімізуючи ймовірність раптового виділення газу при нагріванні. Це також пов'язано з кращою механічною цілісністю. Щільніша структура графіту з наднизькою пористістю зазвичай забезпечує підвищену стійкість до розтріскування, оскільки графіт зазнає багаторазових термічних циклів. Крім того, поверхні з низькою пористістю сприяють покращеній цілісності покриття. Коли SiC або інші вогнетривкі матеріали наносяться на ці графітові поверхні, вони добре зчеплюються з менш пористою поверхнею. Ймовірно, це пов'язано зі збільшеною щільністю зв'язку між покритим матеріалом та графітом, що, у свою чергу, підвищує довговічність та довговічність покриттів, а також їхню ймовірність відшаровуватися або розшаровуватися. Зрештою, вибір графіту з наднизькою пористістю в щоденному виробничому сценарії, хоча й є властивістю матеріалу, забезпечує пряму перевагу в досягненні стабільних, чистих та передбачуваних результатів виготовлення пластин у високоякісних процесах епітаксії SiC.