Dlaczego grafit o wysokiej czystości jest kluczowy dla kontroli defektów epitaksji SiC

Na jakość produkowanego wafla z węglika krzemu (SiC) wpływają nawet subtelne zmiany w środowisku wzrostu. Obszarem, którego wielu nie bierze pod uwagę, jest grafitowa wyściółka reaktora. Wytrzymuje ona próbę intensywnego ciepła panującego wewnątrz reaktora, podtrzymując i pozycjonując wafel podczas epitaksji. Jeśli grafit jest zanieczyszczony lub ma nieregularną strukturę, w procesie wzrostu mogą gromadzić się drobne cząstki materiału lub zachodzić niepożądane reakcje. Drobne problemy na powierzchni grafitu mogą prowadzić do poważnych defektów wafla, co skutkuje większym nakładem pracy i niższą wydajnością dla producentów chipów. W związku z tym stan i czystość Susceptor grafitowy jest ważniejszą kwestią, niż większość ludzi przypuszcza.

Jak czystość grafitu wpływa na problemy z cząsteczkami w komorach epitaksjalnych?

Cząsteczki są powszechnym defektem płytek w komorach epitaksji SiC i często wiążą się z grafitem w tym procesie. Części grafitowe znajdują się w gorącej strefie reaktora SiC, unosząc płytkę i wpływając na kontury termiczne. W przypadku zastosowania grafitu o niższej czystości, śladowe zanieczyszczenia, takie jak zanieczyszczenia metaliczne, popiół lub pozostałości procesowe, mogą powoli odgazowywać grafit w miarę upływu czasu podczas wzrostu w wysokiej temperaturze. Ulatniające się zanieczyszczenia są często niewykrywalne w komorze, ale ostatecznie osiadają na powierzchni płytki lub stają się częścią fazy gazowej. Na przykład, w jednym z zastosowań producent zdecydował się na grafit niższej jakości ze względu na oszczędności. Chociaż początkowo nie zaobserwowano żadnych problemów podczas krótkich cykli, po kilku cyklach Epitaksja Na powierzchni wafla zaobserwowano przypadkowe porów i nierówności. Źródłem tych defektów były mikrocząsteczki emitowane z grafitowego uchwytu lub susceptora. Cząsteczki te przedostawały się do komory wzrostu i działały jak zarodki w niepożądany sposób. Nierównomierna gęstość części grafitowej również przyczyniała się do powstawania mikropęknięć na powierzchni części podczas nagrzewania, co z czasem prowadziło do zrzucania drobnych cząsteczek do komory, nawet jeśli część wydawała się czysta. Dlatego monitorowanie źródła grafitu i jego historii jest rutynowym zadaniem w fabrykach, aby uniknąć defektów związanych z cząsteczkami. Grafit o wysokiej czystości z kontrolowaną ilością popiołu jest na ogół pożądany, szczególnie w przypadku produkcji długoterminowej. Monitorowana jest również liczba cykli termicznych części, ponieważ materiały będą zrzucać cząsteczki nawet po prawidłowym wstępnym przetworzeniu. Ponadto, metoda konserwacji części grafitowych wpływa na występowanie defektów. Na przykład, agresywne procedury czyszczenia uszkodziłyby powierzchnię grafitu i doprowadziły do ​​powstania mikropęknięć. Preferowaną metodą jest łagodny, kontrolowany proces czyszczenia z minimalną interakcją fizyczną z częściami grafitowymi. Ze względów ekonomicznych, wcześniejsza wymiana części może być lepszym rozwiązaniem niż radzenie sobie ze stratą wydajności na późniejszych etapach. Krótko mówiąc, kontrola generowania cząstek w typowym procesie epitaksji SiC opiera się na drobnych szczegółach dotyczących jakości materiału i metod obróbki. Kwestia jakości grafitu leży u podstaw tej kwestii.

Wymagania materiałowe dla wysokiej klasy części epitaksjalnych i susceptorów SiC

W przypadku epitaksji SiC, elementy w reaktorze pełnią nie tylko funkcję „utrzymywania” płytki. Susceptory, nośniki grafitu i komponenty strefy gorącej w reaktorze bezpośrednio wpływają na wzrost kryształów. Dlatego materiały te są bardzo wymagające, a nawet niewielka wada może ostatecznie ujawnić się jako defekt płytki. Wysoka stabilność termiczna jest podstawowym wymogiem. Elementy są podgrzewane do bardzo wysokich temperatur przez długi czas (czasami powtarzając cykle nagrzewania/chłodzenia). Materiał, który nie utrzymuje stabilności w tych temperaturach, ulegnie odkształceniu i może ostatecznie pęknąć. Niewielkie zmiany geometrii mogą znacząco zmienić przepływ gazu i rozkład ciepła, powodując nierównomierny wzrost kryształów na powierzchni płytki. Czystość jest kolejnym kluczowym czynnikiem. Zaawansowane procesy SiC wymagają bardzo niskiej zawartości metalu i bardzo niskiego poziomu popiołu w komponentach grafitowych. Podczas pracy metale śladowe będą powoli wypłukiwane z elementów, a zanieczyszczenia mogą dyfundować do komory i powodować zanieczyszczenie cząsteczkowe lub lokalne defekty kryształów. W niektórych fabrykach, losowy błąd w ułożeniu warstw został powiązany z pojedynczą partią zanieczyszczonego susceptora. Struktura powierzchni jest ważnym wymogiem. Gładka i równa powierzchnia pomoże ograniczyć odrywanie się cząstek podczas cyklu nagrzewania/chłodzenia. Nierównomierna powierzchnia, czyli pory w strukturze powierzchni, będzie się stale rozpadać podczas pracy, generując w ten sposób stałe źródło cząstek do komory. Jakość powłoki jest kolejnym istotnym wymogiem. Wiele wysokiej klasy susceptorów wykorzystuje powłokę SiC jako warstwę ochronną. Powłoka musi dobrze przylegać do materiału bazowego i musi wytrzymywać długotrwałą pracę. Słabe wiązanie i rozwarstwianie bezpośrednio narażają grafit bazowy na trudne warunki reakcji. Często obserwujemy to w rzeczywistych zastosowaniach: na przykład w fabryce płytek półprzewodnikowych produkującej długie partie produkcyjne wskaźnik defektów stale rośnie po setkach cykli. Inspekcja susceptora ujawni niewielkie zużycie powłoki i erozję krawędzi. Zmiana lub wymiana podzespołu spowoduje przywrócenie wskaźnika usterek do akceptowalnego poziomu. Wybór odpowiednich materiałów nie jest kwestią jedynie początkowej wydajności podzespołów, ale także stabilności materiału w powtarzających się cyklach.

Wpływ struktury ziarna na stabilność termiczną w systemach AIXTRON G10

Struktura ziarnista elementów grafitowych wewnątrz SiC wysokotemperaturowego Wzrost epitaksji System, taki jak AIXTRON G10, ma znaczący wpływ na stabilność termiczną. Dotyczy to zmian wymiarów, zachowania kształtu i reakcji na cykle termiczne. Grafit nie jest ciałem stałym. Składa się z licznych krystalitów lub ziaren. Poszczególne krystality mogą mieć różną orientację. Słaba kontrola wielkości ziaren w komponencie grafitowym powoduje nierównomierny rozkład ciepła. Poszczególne obszary komponentu nagrzewają się i stygną w różnym tempie. Powoduje to powstawanie naprężeń wewnętrznych na poziomie mikro. Z czasem te naprężenia wewnętrzne powodują odkształcenia lub deformacje w częściach takich jak susceptor lub nośnik wafla. Proces ten jest łatwo identyfikowalny podczas produkcji. Zazwyczaj pojawia się, gdy linia produkcyjna wafli pracuje w wysokich temperaturach. Jakość wafli zaczyna spadać po setkach cykli termicznych. Różnice w grubości rosną, a wady krawędzi pojawiają się częściej. Po zbadaniu tych części zazwyczaj wykazują one oznaki odkształcenia lub zmęczenia materiału. Struktury drobnoziarniste o kontrolowanym rozkładzie krystalitów charakteryzują się znacznie lepszą stabilnością termiczną niż struktury gruboziarniste lub chaotyczne. Dzięki temu zapewniony zostanie bardziej równomierny transfer ciepła i zmniejszone zostaną lokalne punkty naprężeń. Dzięki odpowiedniej strukturze ziarna części będą odporne na odkształcenia nawet po setkach cykli cieplnych. Gruboziarnista lub słabo rozłożona struktura ziarna prowadzi do osłabień w części, co z kolei prowadzi do mikropęknięć i ewentualnego uwalniania cząstek do komory. Kolejnym kluczowym aspektem, który należy wziąć pod uwagę, jest odporność na szok termiczny. Istnieją punkty, w których część podlega znacznym zmianom temperatury, na przykład podczas ładowania do reaktora lub wyjmowania. Jeśli między ziarnami występują słabe granice, mogą tworzyć się mikropęknięcia wzdłuż linii ziaren. Chociaż zazwyczaj nie prowadzi to do awarii części, to jednak pozwala na powstawanie tych osłabień w materiale, co prowadzi do problemów z niezawodnością w przyszłości. Większość producentów śledzi żywotność części zarówno na podstawie liczby godzin pracy, jak i liczby cykli cieplnych oraz całkowitej obróbki cieplnej. Części o dobrze zaprojektowanej strukturze ziarna mają dłuższą żywotność i bardziej spójne wyniki w czasie.

Redukcja zanieczyszczeń metalicznych w komponentach grafitowych o wysokiej czystości

Jednym z „niewidocznych”, ale krytycznych problemów w każdym elemencie grafitowym, w tym w procesie epitaksji SiC, jest zanieczyszczenie metalami. Nawet śladowe ilości metali w elemencie grafitowym mogą przedostać się do procesu i stać się źródłem trudnych do wykrycia defektów w reaktorze epitaksji SiC, takim jak AIXTRON G10. Takie metale zazwyczaj pochodzą z surowców lub z różnych etapów przetwarzania związanych z produkcją elementu grafitowego. Pierwiastki takie jak żelazo, nikiel, wapń i sód są powszechne i pozostają uwięzione w graficie w temperaturze pokojowej. Jednak w podwyższonej temperaturze procesu stosowanej w epitaksji SiC pierwiastki te mogą się przemieszczać. Te śladowe ilości metali mogą ostatecznie ulec odgazowaniu lub migrować na powierzchnię podczas powtarzających się cykli nagrzewania/chłodzenia w strefie gorącej, a mianowicie w susceptorze lub samym nośniku wafla. Typowy przypadek wyglądałby następująco: fabryka rozpoczyna partię produkcyjną z wykorzystaniem nowych elementów grafitowych. Pierwsze kilka płytek jest w porządku i nie wykazuje żadnych defektów, ale po pewnym czasie zaczynają pojawiać się drobne defekty. Zazwyczaj są to drobne wżery, przypadkowe błędy w stosie lub niewytłumaczalne zjawiska cząsteczkowe. Łatwo jest błędnie podejrzewać niewłaściwy przepływ gazu lub zanieczyszczenie podczas czyszczenia komory. Jednak szczegółowa analiza często prowadzi do powolnego uwalniania metali śladowych z elementów grafitowych. Kontrola czystości grafitu jest jednym z kluczowych elementów. W przypadku elementów krytycznych zawsze preferowany jest grafit oczyszczony w wysokiej temperaturze i o niskiej zawartości popiołu. Ten etap oczyszczania usuwa większość pozostałości metalicznych. Taki grafit może utrzymać pierwiastki w miejscu przez dłuższy czas, nawet przy powtarzających się cyklach nagrzewania/chłodzenia. Kontrola przychodzących elementów grafitowych jest również bardzo ważna w niektórych fabrykach. Testowanie partii grafitu za pomocą technik takich jak ICP-OES lub XRF może zapobiec stosowaniu zanieczyszczonych elementów. Może to również zapobiec mieszaniu elementów z różnych źródeł w tym samym procesie. Powłoki takie jak SiC lub TaC również pomagają rozwiązać ten problem, działając jako bariera między elementem grafitowym a środowiskiem procesu. O ile powłoka jest dobrze osadzona i związana z podłożem grafitowym, zmniejszy to interakcję części grafitowych z otoczeniem procesowym. Ostatnim, ale nie mniej ważnym czynnikiem jest obchodzenie się z częściami grafitowymi i ich przechowywanie. Części grafitowe mogą ulec zanieczyszczeniu podczas pracy z brudnymi rękawicami, narzędziami lub podczas przechowywania na zanieczyszczonej półce. To zanieczyszczenie powierzchni może następnie przedostać się do pieca podczas cyklu nagrzewania. Aby zmniejszyć zanieczyszczenie metaliczne części grafitowych, konieczne jest podjęcie wielu drobnych działań. Wymagany jest materiał o wysokiej czystości, w połączeniu z dobrą praktyką obchodzenia się z nim i ścisłą kontrolą procesu.

Dlaczego systemy Veeco EPIK wymagają materiałów grafitowych o ultra niskiej porowatości?

Elementy grafitowe w platformie Veeco EPIK Systems poddawane są jednemu z najtrudniejszych warunków procesowych w produkcji półprzewodników. Komponenty te narażone są na wysoką temperaturę, agresywne reakcje chemiczne gazów i długie cykle procesowe. Grafit o ultraniskiej porowatości ma zatem kluczowe znaczenie dla zachowania integralności i czystości epitaksji SiC. Porowatość odnosi się do małych, wewnętrznych porów znajdujących się w samym grafitowym korpusie. Pomimo idealnie gładkiej powierzchni, mogą one zawierać pory zatrzymujące gazy procesowe, pozostałości i chemikalia czyszczące. Wysoka porowatość oznacza większą objętość wewnętrzną do uwięzienia, gdzie po wystawieniu na działanie wysokiej temperatury materiał może być powoli odgazowywany. To odgazowywanie nie zawsze jest liniowe i może prowadzić do pęknięć, utrudniając kontrolę procesu. W epitaksji SiC jest to szczególnie szkodliwe. Gazy uwalniane z grafitowego korpusu mogą przedostać się do przepływu gazu w komorze epitaksji, przyczyniając się do powstawania niepożądanych cząstek. Cząsteczki przedostają się na powierzchnię wafla, wpływając na wzrost kryształów i mogą prowadzić do nieoczekiwanych defektów, takich jak losowe wżery, chropowatość powierzchni lub lokalne różnice w grubości wafla. Typowym scenariuszem jest faza produkcyjna, w której czysta fabryka otrzymuje nowe elementy grafitowe do systemu EPIK. Wstępne wyniki mogą być akceptowalne, jednak wraz z powtarzaniem się cykli termicznych, wskaźnik defektów może rosnąć, a inspekcja ciągu technologicznego, w tym przewodów gazowych, zaworów i etapów procesu czyszczenia, może nie ujawnić niczego oczywistego. Często okazuje się, że winowajcą jest grafit o niskiej porowatości w strefie wysokich temperatur. Wybór grafitu o ultraniskiej porowatości skutecznie minimalizuje to ryzyko poprzez ograniczenie objętości wewnętrznych, w których mogą ukrywać się uwięzione cząsteczki, minimalizując prawdopodobieństwo nagłego uwolnienia gazu podczas ogrzewania. Wiąże się to również z lepszą integralnością mechaniczną. Gęstsza struktura grafitu o ultraniskiej porowatości zazwyczaj zapewnia zwiększoną odporność na pękanie, ponieważ grafit poddawany jest wielokrotnym cyklom termicznym. Ponadto, powierzchnie o niskiej porowatości sprzyjają lepszej integralności powłoki. Po nałożeniu SiC lub innych materiałów ogniotrwałych na te powierzchnie grafitowe, dobrze przylegają one do powierzchni mniej porowatych. Wynika to prawdopodobnie ze zwiększonej bliskości wiązania między materiałem powlekanym a grafitem, co z kolei zwiększa trwałość i żywotność powłok oraz ich potencjał do łuszczenia się. Ostatecznie, wybór grafitu o ultraniskiej porowatości w codziennej produkcji, choć jest właściwością materiału, zapewnia bardzo bezpośrednie korzyści w postaci uzyskania stabilnych, czystych i przewidywalnych rezultatów wafli w zaawansowanych procesach epitaksji SiC.