Zašto je grafit visoke čistoće ključan za kontrolu defekata SiC epitaksije

Na kvalitet proizvedene pločice silicijum karbida (SiC) utiču čak i suptilne promjene u okruženju rasta. Područje koje mnogi ne uzimaju u obzir je grafitna obloga reaktora. Ona podnosi test intenzivne toplote koja se nalazi unutar reaktora dok podržava i pozicionira pločicu tokom epitaksije. Ako je grafit nečist ili nepravilne strukture, mali komadići materijala ili neželjena reakcija mogu se taložiti tokom procesa rasta. Mali problemi na površini grafita mogu se pretvoriti u velike defekte pločice, što rezultira većim obimom posla i nižim prinosima za proizvođače čipova. Stoga, stanje i čistoća... Grafitni susceptor je važnije pitanje nego što većina pretpostavlja.

Kako čistoća grafita utiče na probleme sa česticama u epitaksijalnim komorama?

Čestice su sveprisutni defekt pločice u SiC epitaksijskoj komori i često uključuju grafit u proces. Grafitni dijelovi se nalaze u vrućoj zoni SiC reaktora, noseći pločicu i utičući na termalne konture. Korištenjem manje čistog grafita, tragovi nečistoća, poput metalnih zagađivača, pepela ili ostataka procesa, mogu se polako oslobađati iz grafita tokom vremena tokom rasta na visokim temperaturama. Oslobođene nečistoće često se ne mogu detektovati u komori, ali na kraju dospiju na površinu pločice ili postaju dio gasne faze. Na primjer, u jednoj primjeni, fabrika se odlučila za grafit niže kvalitete radi uštede troškova. Iako u početku nisu bili vidljivi problemi tokom kratkih ciklusa, nakon nekoliko ciklusa... Sic epitaksija Na površini pločice uočene su nasumične rupice i hrapave tačke. Izvor takvih defekata pronađen je u mikročesticama emitiranim iz držača grafita ili susceptora. Čestice bi ulazile u komoru za rast i djelovale kao sjeme na neželjen način. Neravnomjerna gustoća grafitnog dijela također bi doprinijela mikropukotinama na površini dijela prilikom zagrijavanja, što bi s vremenom dovelo do rasipanja finih čestica u komoru, čak i ako dio može izgledati čisto. Stoga je praćenje izvora grafita i njegove historije rutinski zadatak u fabrikama kako bi se izbjegli defekti povezani s česticama. Grafit visoke čistoće s kontroliranom količinom pepela općenito je poželjan, posebno za dugoročne proizvodnje. Također se prati broj termičkih ciklusa dijelova jer će materijali rasipati čestice čak i nakon dobre početne obrade. Također, metoda održavanja grafitnih dijelova utječe na defekte. Na primjer, agresivni postupci čišćenja oštetili bi površinu grafita i rezultirali mikropukotinama. Poželjna metoda je blagi, kontrolirani proces čišćenja s minimalnom fizičkom interakcijom s grafitnim dijelovima. Iz ekonomskih razloga, zamjena dijelova ranije nego što se očekivalo mogla bi biti bolja nego suočavanje s gubitkom prinosa u kasnijim fazama. Ukratko, kontrola stvaranja čestica u tipičnom procesu SiC epitaksije vrti se oko malih detalja o kvaliteti materijala i praksama rukovanja. Pitanje kvaliteta grafita je srž problema.

Materijalni zahtjevi za vrhunske SiC epitaksijalne dijelove i susceptore

Za SiC epitaksiju, dijelovi u reaktoru služe više od pukog "držanja" pločice. Susceptori, nosači grafita i komponente vruće zone u reaktoru direktno utiču na rast kristala. Zbog toga su materijali veoma zahtjevni i mala greška će se na kraju manifestovati kao defekt na pločici. Visoka termička stabilnost je fundamentalni zahtjev. Dijelovi se zagrijavaju na vrlo visoke temperature dugo vremena (ponekad uz ponavljajuće cikluse zagrijavanja/hlađenja). Materijal koji ne može održati stabilnost na ovim temperaturama će se iskriviti i na kraju može puknuti. Male promjene u geometriji mogu značajno promijeniti protok gasa i raspodjelu toplote, što rezultira neujednačenim rastom kristala na površini pločice. Čistoća je još jedan kritični faktor. Vrhunski SiC procesi zahtijevaju vrlo nizak sadržaj metala i vrlo nizak nivo pepela u komponentama na bazi grafita. Tokom rada, tragovi metala će se polako ispuštati iz dijelova, a kontaminanti mogu difundirati u komoru i rezultirati kontaminacijom česticama ili lokalnim defektima kristala. U nekim fabrikama, slučajna greška slaganja je povezana sa jednom serijom kontaminiranog susceptora. Površinska struktura je važan zahtjev. Glatka i ravna površina će pomoći u smanjenju rasipanja čestica tokom ciklusa zagrijavanja/hlađenja. Neujednačena površina, ili pore unutar površinske strukture, će se kontinuirano raspadati tokom rada i tako generirati stalan izvor čestica u komoru. Kvalitet premaza je također još jedan bitan zahtjev. Mnogi vrhunski susceptori koriste SiC premaz kao zaštitni sloj. Premaz mora dobro prianjati na osnovni materijal i mora izdržati dugotrajan rad. Loše lijepljenje i delaminacija će direktno izložiti osnovni grafit oštrim reakcijskim uslovima. Često to vidimo u stvarnim primjenama: na primjer, fabrika pločica koja radi u dugim proizvodnim serijama će primijetiti da stopa defekata stalno raste nakon stotina ciklusa. Pregled susceptora će otkriti blago trošenje premaza i eroziju ivica. Promjena ili zamjena komponente će vratiti stopu defekata na prihvatljiv nivo. Odabir pravih materijala nije samo stvar početnih performansi komponenti, već i stabilnosti materijala u ponovljenim ciklusima.

Uticaj strukture zrna na termičku stabilnost u AIXTRON G10 sistemima

Struktura zrna grafitnih komponenti unutar SiC-a visoke temperature Epitaksijalni rast Sistem, kao što je AIXTRON G10, uveliko utiče na termičku stabilnost. To se odnosi na promjene dimenzija, zadržavanje oblika i odgovor na termičke cikluse. Grafit nije monolitna čvrsta materija. Sastoji se od brojnih kristalita ili zrna. Pojedinačni kristaliti mogu imati različite orijentacije. Kada postoji loša kontrola veličine zrna unutar grafitne komponente, dolazi do neravnomjerne distribucije toplote. Područja komponente se zagrijavaju i hlade različitim brzinama. To stvara unutrašnje naprezanje na mikro nivou. Polako, tokom vremena, ovo unutrašnje naprezanje uzrokuje savijanje ili izobličenje u dijelovima poput susceptora ili nosača pločice. Ovaj proces se lako prepoznaje tokom proizvodnje. Obično se pojavljuje kada linija za pločice radi na visokim temperaturama. Kvalitet pločice počinje da opada nakon stotina termičkih ciklusa. Varijacije u debljini se povećavaju, a defekti na ivicama počinju se češće pojavljivati. Nakon što se ovi dijelovi pregledaju, obično imaju znakove savijanja ili zamora materijala. Finozrnate strukture sa kontrolisanom distribucijom kristalita imat će mnogo bolju termičku stabilnost od grubih zrna ili nasumičnih struktura. To će rezultirati ravnomjernijim prijenosom toplote i smanjenjem lokalizovanih tačaka naprezanja. S pravilnom strukturom zrna, dijelovi će se oduprijeti savijanju čak i tokom stotina termičkih ciklusa. Grube strukture ili loše raspoređene strukture zrna rezultiraju slabim tačkama unutar dijela, omogućavajući mikropukotine i eventualno oslobađanje čestica u komoru. Još jedno ključno pitanje koje treba uzeti u obzir je otpornost na termički šok. Postoje tačke gdje dio prolazi kroz značajne promjene temperature, kao što je utovar u reaktor ili prilikom vađenja. Ako postoje slabe granice između zrna, tada se mikropukotine mogu formirati duž linija zrna. Iako ovo obično ne rezultira kvarom dijela, omogućava da se ove slabosti formiraju u materijalu, što dovodi do budućih problema s pouzdanošću. Većina fabrika prati vijek trajanja dijela i po broju korištenih sati i broju termičkih ciklusa i ukupnoj termičkoj obradi. Dijelovi s dobro konstruiranom strukturom zrna imaju duži vijek trajanja i konzistentnije rezultate tokom vremena.

Smanjenje metalne kontaminacije u komponentama od grafita visoke čistoće

Jedan od "nevidljivih", ali kritičnih problema u bilo kojem grafitnom dijelu, uključujući i proces SiC epitaksije, jeste metalna kontaminacija. Čak i najmanji tragovi metala u grafitnom dijelu mogu prodrijeti u proces i postati izvor teško sljedivih defekata u SiC epitaksijskom reaktoru poput AIXTRON G10. Takvi metali obično potiču iz sirovina ili različitih koraka obrade uključenih u proizvodnju grafitne komponente. Elementi poput željeza, nikla, kalcija i natrija su uobičajeni i ostaju zarobljeni u glavnom dijelu grafita na sobnoj temperaturi, međutim, na povišenoj temperaturi procesa koja se koristi u SiC epitaksiji, ovi elementi mogu postati mobilni. Ovi tragovi metala mogu se na kraju isprazniti ili migrirati na površinu tokom ponovljenih ciklusa zagrijavanja/hlađenja u vrućoj zoni, naime susceptora ili samog nosača pločice. Tipičan slučaj bi bio ovakav: fabrika započinje proizvodnu seriju koristeći nove grafitne dijelove. Prvih nekoliko pločica je u redu i ne pokazuje defekte, ali nakon određenog perioda počinju se pojavljivati ​​mali defekti. Obično su to sitne udubine, slučajni defekti u slojevima ili neobjašnjivi događaji čestica. Lako je pogrešno posumnjati na pogrešan protok plina ili kontaminaciju tokom čišćenja komore. Ali detaljna analiza često dovodi do sporog oslobađanja tragova metala iz grafitnih komponenti. Kontrola čistoće grafita je jedan od ključnih faktora. Za kritične komponente, grafit pročišćen na visokoj temperaturi s niskim sadržajem pepela je uvijek poželjniji. Ovaj korak pročišćavanja uklanja većinu metalnih ostataka. Takav grafit može zadržati elemente zarobljene duže vrijeme čak i pod ponovljenim ciklusima zagrijavanja/hlađenja. Ulazna inspekcija grafitnih dijelova je također vrlo važna u nekim fabrikama. Testiranje serija grafita tehnikama kao što su ICP-OES ili XRF može spriječiti upotrebu kontaminiranih dijelova. Također može spriječiti miješanje dijelova iz različitih izvora unutar istog procesnog toka. Premazi poput SiC ili TaC također pomažu u rješavanju problema djelujući kao barijera između grafitnog dijela i procesne okoline. Sve dok je premaz dobro nanesen i vezan za podložnu grafitnu podlogu, smanjit će interakciju grafitnog dijela s procesnom okolinom. Posljednje, ali ne i najmanje važno, je rukovanje i skladištenje grafitnih dijelova. Grafitni dijelovi mogu se kontaminirati tokom rukovanja prljavim rukavicama, instrumentima ili skladištenjem na nečistoj polici. Ova površinska kontaminacija zatim može ući u peć tokom ciklusa zagrijavanja. Da bi se smanjila metalna kontaminacija grafitnih dijelova, to je zbir mnogih malih napora. Potreban je materijal visoke čistoće u kombinaciji s dobrom praksom rukovanja i strogom kontrolom procesa.

Zašto Veeco EPIK sistemi zahtijevaju grafitne materijale ultra niske poroznosti?

Grafitni dijelovi unutar Veeco EPIK Systems platforme prolaze kroz jedne od najtežih procesnih uslova u proizvodnji poluprovodnika. Ove komponente su izložene uslovima visoke temperature, agresivne gasne hemije i dugih procesnih ciklusa. Grafit ultra niske poroznosti je stoga ključan za održavanje integriteta i čistoće SiC epitaksije. Poroznost se odnosi na male, unutrašnje pore koje postoje unutar samog grafitnog tijela. Uprkos savršeno glatkoj površini, unutrašnje pore mogu postojati i zarobljavati procesne gasove, ostatke i hemikalije za čišćenje. Visoka poroznost znači veći unutrašnji volumen za zarobljavanje, gdje se nakon izlaganja visokoj temperaturi materijal može polako degazirati. Ovo degaziranje nije uvijek linearno i može dovesti do pucanja, što otežava kontrolu procesa. Kod SiC epitaksije, ovo je posebno štetno. Kada se gasovi oslobađaju iz grafitnog tijela, mogu se uključiti u protok gasa unutar epitaksijalne komore, doprinoseći neželjenim česticama. Čestice će pronaći put do površine pločice, utičući na rast kristala i mogu dovesti do neočekivanih defekata kao što su nasumične udubine, hrapavost površine ili lokalne varijacije u debljini pločice. Tipičan scenario koji se susreće je na proizvodnim rampama gdje čista fabrika prima nove grafitne dijelove za EPIK sistem. Početni rezultati mogu biti prihvatljivi, međutim, kako se termički ciklusi ponavljaju, stope defekata mogu se povećavati, a inspekcija procesnog niza, uključujući plinske vodove, ventile i faze procesa čišćenja, možda neće otkriti ništa očigledno. Često se otkrije da je krivac grafit niske poroznosti unutar zone visoke temperature. Odabir grafita ultra niske poroznosti efikasno minimizira ovaj rizik ograničavanjem unutrašnjih volumena u kojima se zarobljene vrste mogu sakriti, minimizirajući vjerovatnoću iznenadnog oslobađanja gasa prilikom zagrijavanja. Također je povezan s boljim mehaničkim integritetom. Gušća struktura grafita ultra niske poroznosti obično nudi povećanu otpornost na pucanje dok grafit prolazi kroz ponovljene termičke cikluse. Nadalje, površine niske poroznosti potiču poboljšani integritet premaza. Kada se SiC ili drugi vatrostalni materijali premazuju na ove grafitne površine, oni dobro prianjaju na manje poroznu površinu. To je vjerovatno zbog povećane intimnosti veze između premazanog materijala i grafita, što zauzvrat poboljšava trajnost i dugovječnost premaza i njihov potencijal za ljuštenje ili ljuštenje. U konačnici, odabir grafita ultra niske poroznosti u svakodnevnom scenariju proizvodnje, iako je svojstvo materijala, pruža vrlo direktnu korist u postizanju stabilnih, čistih i predvidljivih rezultata pločica unutar vrhunskih SiC epitaksijalnih procesa.