Proč je vysoce čistý grafit zásadní pro kontrolu defektů epitaxe SiC

Kvalitu vyrobeného destičky z karbidu křemíku (SiC) ovlivňují i ​​nepatrné změny v růstovém prostředí. Oblast, kterou mnoho lidí nezohledňuje, je grafitová výstelka reaktoru. Ta odolává intenzivnímu teplu uvnitř reaktoru, zatímco podpírá a umisťuje destičku během epitaxe. Pokud je grafit nečistý nebo má nepravidelnou strukturu, mohou se během růstového procesu usazovat malé kousky materiálu nebo se může objevit nežádoucí reakce. Malé problémy na povrchu grafitu se mohou rozvinout ve velké vady destičky, což má za následek více práce a nižší výtěžnost pro výrobce čipů. Proto je stav a čistota materiálu... Grafitový susceptor je důležitější problém, než by si většina lidí myslela.

Jak čistota grafitu ovlivňuje problémy s částicemi v epitaxních komorách?

Částice jsou všudypřítomnou vadou destiček v epitaxních komorách SiC a v procesu často zahrnují grafit. Grafitové částice se nacházejí v horké zóně SiC reaktoru, nesou destičku a ovlivňují tepelné kontury. Při použití méně čistého grafitu se mohou stopové nečistoty, jako jsou kovové kontaminanty, popel nebo zbytky procesu, v průběhu růstu za vysokých teplot pomalu uvolňovat z grafitu. Uvolněné nečistoty jsou v komoře často nedetekovatelné, ale nakonec dopadnou na povrch destičky nebo se stanou součástí plynné fáze. Například v jedné aplikaci se továrna rozhodla pro grafit nižší jakosti kvůli úsporám nákladů. Ačkoli se zpočátku během krátkých sérií neobjevily žádné problémy, po několika cyklech... Sic epitaxe Na povrchu destičky byly pozorovány náhodné dírky a drsné skvrny. Zdroj těchto defektů byl vysledován k mikročásticím emitovaným z grafitového držáku nebo susceptoru. Částice by se mohly dostat do růstové komory a nežádoucím způsobem fungovat jako semena. Nerovnoměrná hustota grafitové součásti by také přispívala k mikropraskání na povrchu součásti při zahřívání, což by v průběhu času vedlo k uvolňování jemných částic do komory, i když se součást může jevit čistá. Proto je sledování zdroje grafitu a jeho historie rutinním úkolem ve výrobách, aby se předešlo vadám souvisejícím s částicemi. Vysoce čistý grafit s kontrolovaným množstvím popela je obecně žádoucí, zejména pro dlouhodobou výrobu. Sleduje se také počet tepelných cyklů součástí, protože materiály budou uvolňovat částice i po dobrém počátečním zpracování. Vady ovlivňuje také způsob údržby grafitových součástí. Například agresivní čisticí postupy by mohly poškodit povrch grafitu a vést k mikropraskám. Preferovanou metodou je mírný, kontrolovaný proces čištění s minimální fyzickou interakcí s grafitovými součástmi. Z ekonomických důvodů může být lepší nahradit součásti dříve, než se očekávalo, než se v pozdějších fázích vypořádat se ztrátou výtěžnosti. Stručně řečeno, kontrola tvorby částic v typickém procesu epitaxe SiC se točí kolem malých detailů týkajících se kvality materiálu a manipulačních postupů. Jádrem problému je otázka kvality grafitu.

Materiálové požadavky pro špičkové epitaxní součástky a susceptory z SiC

Pro epitaxi SiC slouží součásti v reaktoru více než jen k „držení“ destičky. Susceptory, nosiče grafitu a komponenty horké zóny v reaktoru přímo ovlivňují růst krystalů. Proto jsou tyto materiály velmi náročné a malá vada se nakonec projeví jako vada na destičce. Vysoká tepelná stabilita je základním požadavkem. Součásti se zahřívají na velmi vysoké teploty po dlouhou dobu (někdy opakované cykly ohřevu/ochlazování). Materiál, který si při těchto teplotách nedokáže udržet stabilitu, se zdeformuje a nakonec může prasknout. Mírné změny geometrie mohou významně změnit tok plynu a rozložení tepla, což vede k nerovnoměrnému růstu krystalů na povrchu destičky. Čistota je dalším kritickým faktorem. Špičkové procesy SiC vyžadují velmi nízký obsah kovu a velmi nízkou hladinu popela v grafitových součástkách. Během provozu se stopové kovy z součástí pomalu vyluhují, kontaminanty mohou difundovat do komory a vést ke kontaminaci částicemi nebo lokálním krystalovým defektům. V některých továrnách byla náhodná chyba vrstvení vysledována k jediné dávce kontaminovaného susceptoru. Důležitým požadavkem je struktura povrchu. Hladký a rovný povrch pomůže snížit uvolňování částic během cyklu ohřevu/ochlazování. Nejednotný povrch nebo póry v povrchové struktuře se během provozu neustále rozpadají a tím vytvářejí stálý zdroj částic do komory. Kvalita povlaku je také dalším zásadním požadavkem. Mnoho špičkových susceptorů používá jako ochrannou vrstvu povlak SiC. Povlak musí dobře přilnout k základnímu materiálu a musí odolat dlouhodobému provozu. Špatné spojení a delaminace přímo vystaví základní grafit drsnému reakčnímu prostředí. Často to vidíme v reálných aplikacích: například továrna na destičky, která pracuje na dlouhé výrobní šarže, pozoruje, že míra vad po stovkách cyklů stabilně roste. Kontrola susceptoru odhalí mírné opotřebení povlaku a erozi hran. Výměna nebo nahrazení součástky vrátí míru vadnosti na přijatelnou úroveň. Výběr správných materiálů není jen o počátečním výkonu součástek, ale i o stabilitě materiálu v opakovaných cyklech.

Vliv struktury zrn na tepelnou stabilitu v systémech AIXTRON G10

Zrnná struktura grafitových složek uvnitř vysokoteplotního SiC Epitaxní růst Systém, jako je AIXTRON G10, má velký vliv na tepelnou stabilitu. To se týká rozměrových změn, zachování tvaru a reakce na tepelné cyklování. Grafit není monolitická pevná látka. Skládá se z mnoha krystalitů nebo zrn. Jednotlivé krystality mohou mít různou orientaci. Pokud je velikost zrna v grafitové složce špatně kontrolována, dochází k nerovnoměrnému rozložení tepla. Oblasti součásti se zahřívají a ochlazují různou rychlostí. To vytváří vnitřní napětí na mikroúrovni. Toto vnitřní napětí postupně časem způsobuje deformaci nebo deformaci v částech, jako je susceptor nebo nosič destičky. Tento proces je snadno identifikovatelný během výroby. Obvykle se objevuje, když linka na výrobu destiček pracuje při vysokých teplotách. Kvalita destiček se začíná po stovkách tepelných cyklů zhoršovat. Zvyšují se rozdíly v tloušťce a častěji se objevují vady na hranách. Po prozkoumání těchto částí obvykle vykazují známky deformace nebo únavy materiálu. Jemnozrnné struktury s řízeným rozložením krystalitů budou mít mnohem lepší tepelnou stabilitu než hrubozrnné nebo náhodné struktury. To povede k rovnoměrnějšímu přenosu tepla a snížení počtu lokalizovaných bodů napětí. Se správnou strukturou zrn budou díly odolné vůči deformaci i po stovkách tepelných cyklů. Hrubé struktury nebo špatně rozložené struktury zrn vedou ke slabým místům uvnitř dílu, což umožňuje mikrotrhliny a případné uvolnění částic do komory. Dalším klíčovým faktorem, který je třeba zvážit, je odolnost vůči tepelnému šoku. Existují body, kde díl prochází významnou změnou teploty, například při vkládání do reaktoru nebo po vyjmutí. Pokud jsou mezi zrny slabé hranice, mohou se podél linií zrn tvořit mikrotrhliny. I když to obvykle nevede k selhání dílu, umožňuje to vznik těchto slabin v materiálu, což vede k budoucím problémům se spolehlivostí. Většina továren sleduje životnost dílů jak podle použitých hodin, tak i podle počtu tepelných cyklů a celkového tepelného zpracování. Díly s dobře navrženou strukturou zrn mají delší životnost a konzistentnější výsledky v průběhu času.

Snížení kovové kontaminace ve vysoce čistých grafitových součástkách

Jedním z „neviditelných“, ale kritických problémů u jakékoli grafitové součásti, včetně procesu SiC epitaxe, je kovová kontaminace. I nepatrné stopy kovů v grafitové součásti se mohou vyluhovat do procesu a stát se zdrojem obtížně sledovatelných defektů v SiC epitaxním reaktoru, jako je AIXTRON G10. Tyto kovy obvykle pocházejí ze surovin nebo z různých procesních kroků, které se podílejí na výrobě grafitové součásti. Prvky jako železo, nikl, vápník a sodík jsou běžné a zůstávají zachyceny v grafitu při pokojové teplotě, avšak při zvýšené procesní teplotě používané v SiC epitaxi se tyto prvky mohou stát mobilními. Tyto stopové kovy se mohou nakonec odplynit nebo migrovat na povrch během opakovaných cyklů ohřevu/ochlazování v horké zóně, konkrétně v susceptoru nebo samotném nosiči destiček. Typický případ by byl tento: továrna zahájí výrobní dávku s použitím nových grafitových součástek. Prvních několik destiček je v pořádku a nevykazuje žádné defekty, ale po určité době se začnou objevovat malé defekty. Obvykle se jedná o drobné důlky, náhodné chyby v vrstvách nebo nevysvětlitelné částicové události. Během čištění komory je snadné mylně podezřívat nesprávný tok plynu nebo kontaminaci. Detailní analýza však často vede k pomalému uvolňování stopových kovů z grafitových složek. Jedním z klíčů je kontrola čistoty grafitu. Pro kritické složky se vždy upřednostňuje grafit čištěný při vysoké teplotě s nízkým obsahem popela. Tento krok čištění odstraňuje většinu kovových zbytků. Takový grafit dokáže udržet prvky zachycené po delší dobu i při opakovaných cyklech ohřevu/chlazení. V některých továrnách je velmi důležitá také vstupní kontrola grafitových dílů. Testování grafitových šarží technikami, jako je ICP-OES nebo XRF, může zabránit použití kontaminovaných dílů. Může také zabránit míchání dílů z různých zdrojů v rámci stejného procesního toku. Povlaky, jako je SiC nebo TaC, také pomáhají řešit tento problém tím, že fungují jako bariéra mezi grafitovým dílem a procesním prostředím. Pokud je povlak dobře nanesen a spojen s podkladovým grafitovým substrátem, sníží interakci grafitového dílu s procesním prostředím. V neposlední řadě je to manipulace s grafitovými díly a jejich skladování. Grafitové díly mohou být kontaminovány při manipulaci se špinavými rukavicemi, nástroji nebo skladováním na nečisté polici. Tato povrchová kontaminace se pak může během ohřevného cyklu dostat do pece. Snížení kovové kontaminace grafitových dílů je souhrnem mnoha malých úsilí. Je vyžadován vysoce čistý materiál v kombinaci se správnou manipulační praxí a přísnou kontrolou procesu.

Proč systémy Veeco EPIK vyžadují grafitové materiály s ultra nízkou porézností?

Grafitové součástky v platformě Veeco EPIK Systems procházejí jedním z nejnáročnějších procesních podmínek ve výrobě polovodičů. Tyto součástky jsou vystaveny podmínkám vysoké teploty, agresivní chemické reakce plynů a dlouhým procesním cyklům. Grafit s ultra nízkou porézností je proto zásadní pro udržení integrity a čistoty SiC epitaxe. Poréznost se vztahuje k malým vnitřním pórům, které existují v samotném grafitovém tělese. Navzdory dokonale hladkému povrchu mohou existovat vnitřní póry, které zachycují procesní plyny, zbytky a čisticí chemikálie. Vysoká poréznost znamená větší vnitřní objem pro zachycení, kde po vystavení vysoké teplotě může být materiál pomalu odplyňován. Toto odplyňování není vždy lineární a může vést k prasklinám, což ztěžuje řízení procesu. U SiC epitaxe je to obzvláště škodlivé. Když se plyny uvolňují z grafitového tělesa, mohou být začleněny do proudu plynu v epitaxní komoře, což přispívá k nežádoucím částicím. Částice se dostanou na povrch destičky, což ovlivňuje růst krystalů a může vést k neočekávaným defektům, jako jsou náhodné důlky, zdrsnění povrchu nebo lokální změny tloušťky destičky. Typickým scénářem jsou výrobní rampy, kde čistá továrna dostává nové grafitové díly pro systém EPIK. Počáteční výsledky mohou být přijatelné, avšak s opakováním tepelných cyklů se může míra vad zvyšovat a kontrola procesního řetězce včetně plynových potrubí, ventilů a fází čisticího procesu nemusí odhalit nic zřejmého. Často se ukáže, že viníkem je grafit s nízkou porézností ve vysokoteplotní zóně. Výběr grafitu s ultra nízkou porézností toto riziko účinně minimalizuje omezením vnitřních objemů, ve kterých se mohou skrývat zachycené částice, čímž se minimalizuje pravděpodobnost náhlého úniku plynu při zahřívání. Je to také spojeno s lepší mechanickou integritou. Hustší struktura grafitu s ultra nízkou porézností obvykle nabízí zvýšenou odolnost proti praskání, protože grafit podléhá opakovaným tepelným cyklům. Povrchy s nízkou porézností dále podporují lepší integritu povlaku. Když se na tyto grafitové povrchy nanese SiC nebo jiné žáruvzdorné materiály, dobře přilnou k méně poréznímu povrchu. To je pravděpodobně způsobeno zvýšenou těsností vazby mezi povlakovaným materiálem a grafitem, což následně zvyšuje odolnost a životnost povlaků a jejich potenciál k odlupování nebo odlupování. V konečném důsledku, výběr grafitu s ultra nízkou porézností v každodenním výrobním scénáři, ačkoli je to vlastnost materiálu, poskytuje velmi přímý přínos pro dosažení stabilních, čistých a předvídatelných výsledků výroby destiček v rámci špičkových epitaxních procesů SiC.