Защо графитът с висока чистота е от решаващо значение за контрола на дефектите при епитаксия на SiC

Качеството на произведената силициево-карбидна (SiC) пластина се влияе дори от фини промени в средата на растеж. Област, която мнозина не вземат предвид, е графитната облицовка на реактора. Тя издържа на интензивната топлина, намираща се вътре в реактора, докато поддържа и позиционира пластината по време на епитаксия. Ако графитът е нечист или структуриран неправилно, малки парченца материал или нежелана реакция могат да се отложат по време на процеса на растеж. Малките проблеми по повърхността на графита могат да се превърнат в големи дефекти на пластината, което води до повече работа и по-ниски добиви за производителите на чипове. По този начин състоянието и чистотата на... Графитен сусцептор е по-важен въпрос, отколкото повечето биха предположили.

Как чистотата на графита влияе върху проблемите с частиците в епитаксийните камери?

Частиците са широко разпространен дефект на пластините в SiC епитаксионните камери и често включват графит в процеса. Графитните части се намират в горещата зона на SiC реактора, носейки пластината и влияейки на термичните контури. С използването на по-малко чист графит, следи от примеси, като метални замърсители, пепел или остатъци от процеса, могат бавно да се отделят от графита с течение на времето по време на растеж при висока температура. Отделените примеси често са неоткриваеми в камерата, но в крайна сметка попадат на повърхността на пластината или стават част от газовата фаза. Например, в едно приложение, фабрика е избрала графит с по-нисък клас за икономии на разходи. Въпреки че първоначално не са се наблюдавали проблеми по време на кратки цикли, след няколко цикъла... Sic епитаксия На повърхността на пластината са наблюдавани произволни дупки и грапави петна. Източникът на тези дефекти е проследен до микрочастици, отделяни от графитния държач или токоприемник. Частиците биха попаднали в камерата за растеж и биха действали като семена по нежелан начин. Неравномерната плътност на графитната част също би допринесла за микропукнатини по повърхността на частта при нагряване, което би довело до отделяне на фини частици в камерата с течение на времето, въпреки че частта може да изглежда чиста. По този начин наблюдението на източника на графит и неговата история е рутинна задача във фабриките, за да се избегнат дефекти, свързани с частиците. Графит с висока чистота с контролирано количество пепел е обикновено желателен, особено за дългосрочни производства. Следи се и брой термични цикли на частите, тъй като материалите ще отделят частици дори след добра първоначална обработка. Също така, методът на поддръжка на графитните части влияе върху дефектите. Например, агресивните процедури за почистване биха повредили графитната повърхност и биха довели до микропукнатини. Предпочитаният метод е мек, контролиран процес на почистване с минимално физическо взаимодействие с графитните части. По икономически причини, по-ранната подмяна на частите от очакваното може да е по-добра, отколкото справянето със загуба на добив на по-късни етапи. Накратко, контролът на генерирането на частици в типичен процес на SiC епитаксия се върти около малки детайли относно качеството на материала и практиките за работа. Въпросът за качеството на графита е в основата на въпроса.

Материални изисквания за висококачествени SiC епитаксиални части и токоприемници

За SiC епитаксия, частите в реактора са нещо повече от това просто да „държат“ пластината. Сусцепторите, графитните носители и компонентите на горещата зона в реактора пряко влияят върху растежа на кристалите. Ето защо материалите са много взискателни и малък дефект в крайна сметка ще се прояви като дефект върху пластината. Високата термична стабилност е основно изискване. Частите се нагряват до много високи температури за дълго време (понякога повтарящи се цикли на нагряване/охлаждане). Материал, който не може да поддържа стабилност при тези температури, ще се деформира и в крайна сметка може да се напука. Леките промени в геометрията могат значително да променят газовия поток и разпределението на топлината, което води до неравномерен растеж на кристалите върху повърхността на пластината. Чистотата е друг критичен фактор. Висококачествените SiC процеси изискват много ниско съдържание на метал и много ниско ниво на пепел в компонентите на графитна основа. По време на работа следите от метали ще се извличат бавно от частите, замърсителите могат да дифундират в камерата и да доведат до замърсяване с частици или локални кристални дефекти. В някои фабрики случайният дефект на подреждане е проследен до една единствена партида замърсен сусцептор. Повърхностната структура е важно изискване. Гладката и равномерна повърхност ще помогне за намаляване на отделянето на частици по време на цикъла на нагряване/охлаждане. Неравномерната повърхност или порите в повърхностната структура ще се разрушават непрекъснато по време на работа и по този начин ще генерират постоянен източник на частици в камерата. Качеството на покритието също е друго съществено изискване. Много висок клас тоцемптори използват SiC покритие като защитен слой. Покритието трябва да се прилепва добре към основния материал и да издържа на продължителна работа. Лошото свързване и деламинацията директно ще изложат основния графит на суровата реакционна среда. Често виждаме това в реални приложения: например, фабрика за пластини, работеща с дълга производствена партида, ще наблюдава, че процентът на дефектите се увеличава постоянно след стотици цикли. Инспекцията на тоцемптора ще разкрие леко износване на покритието и ерозия на ръбовете. Смяната или подмяната на компонента ще върне процента на дефектите до приемливо ниво. Изборът на правилните материали не е само въпрос на първоначалната производителност на компонентите, но и на стабилността на материала при повтарящи се цикли.

Влияние на структурата на зърната върху термичната стабилност в системите AIXTRON G10

Зърнеста структура на графитните компоненти във високотемпературен SiC Епитаксиален растеж Система, като например AIXTRON G10, оказва силно влияние върху термичната стабилност. Това се отнася до промени в размерите, запазване на формата и реакция на термични цикли. Графитът не е монолитно твърдо вещество. Състои се от множество кристалити или зърна. Отделните кристалити могат да имат различна ориентация. Когато има лош контрол върху размера на зърната в графитния компонент, възниква неравномерно разпределение на топлината. Областите на компонента се нагряват и охлаждат с различна скорост. Това създава вътрешно напрежение на микро ниво. Бавно с течение на времето това вътрешно напрежение причинява деформация или изкривяване в части като токоприемника или носача на пластината. Този процес е лесно разпознаваем по време на производството. Обикновено се появява, когато линията за пластини работи при високи температури. Качеството на пластините започва да се влошава след стотици термични цикли. Вариациите в дебелината се увеличават и дефектите по ръбовете започват да се появяват по-редовно. След като тези части бъдат изследвани, те обикновено показват признаци на деформация или умора на материала. Финозърнестите структури с контролирано разпределение на кристалитите ще имат много по-добра термична стабилност от едрите зърна или произволните структури. Това ще доведе до по-равномерен пренос на топлина и намалени локализирани точки на напрежение. С правилна зърнеста структура, частите ще устоят на деформация дори при стотици термични цикли. Грубите структури или лошо разпределените зърнести структури водят до слаби места в детайла, което позволява микропукнатини и евентуално освобождаване на частици в камерата. Друг ключов въпрос, който трябва да се вземе предвид, е устойчивостта на термичен шок. Има точки, където детайлът претърпява значителна температурна промяна, като например зареждане в реактора или при изваждане. Ако има слаби граници между зърната, тогава могат да се образуват микропукнатини по линиите на зърната. Въпреки че това обикновено не води до повреда на детайла, то позволява на тези слабости да се образуват в материала, което води до бъдещи проблеми с надеждността. Повечето фабрики проследяват живота на детайлите както по използваните часове, така и по броя на термичните цикли и общата термична обработка. Частите с добре проектирана зърнеста структура имат по-дълъг живот и по-постоянни резултати във времето.

Намаляване на металното замърсяване в компоненти от графит с висока чистота

Един от „невидимите“, но критични проблеми във всяка графитна част, включително в процеса на SiC епитаксия, е металното замърсяване. Дори минимални следи от метали в графитна част могат да проникнат в процеса и да се превърнат в източник на труднопроследими дефекти в SiC епитаксия реактор като AIXTRON G10. Такива метали обикновено произхождат от суровините или от различните етапи на обработка, участващи в производството на графитния компонент. Елементи като желязо, никел, калций и натрий са често срещани и остават затворени в по-голямата част от графита при стайна температура, но при повишената температура на процеса, използвана в SiC епитаксия, тези елементи могат да станат мобилни. Тези следи от метали могат евентуално да се отделят или да мигрират към повърхността по време на многократни цикли на нагряване/охлаждане в горещата зона, а именно токусцептора или самия носител на пластината. Типичен случай би бил следният: фабрика започва производствена партида, използвайки нови графитни части. Първите няколко пластини са в добро състояние и не показват дефекти, но след определен период започват да се появяват малки дефекти. Те обикновено са малки вдлъбнатини, случайни дефекти в стека или необясними събития с частици. Лесно е погрешно да се заподозре неправилен газов поток или замърсяване по време на почистването на камерата. Но подробният анализ често води до бавно освобождаване на следи от метали от графитните компоненти. Контролирането на чистотата на графита е един от ключовете. За критични компоненти винаги се предпочита пречистен при висока температура графит с ниско съдържание на пепел. Тази стъпка на пречистване премахва по-голямата част от металните остатъци. Такъв графит може да задържи елементите затворени за по-дълго време, дори при многократни цикли на нагряване/охлаждане. Входящият контрол на графитните части също е много важен в някои фабрики. Тестването на графитните партиди с техники като ICP-OES или XRF може да предотврати използването на замърсени части. Това може също да предотврати смесването на части от различни източници в рамките на един и същ технологичен поток. Покрития като SiC или TaC също помагат за решаването на проблема, като действат като бариера между графитната част и технологичната среда. Стига покритието да е добре отложено и свързано с подлежащия графитен субстрат, то ще намали взаимодействието на графитната част с технологичната среда. Не на последно място е боравенето и съхранението на графитните части. Графитните части могат да бъдат замърсени по време на работа с мръсни ръкавици, инструменти или чрез съхранение на нечист рафт. Това повърхностно замърсяване може да попадне в пещта по време на цикъла на нагряване. За да се намали металното замърсяване на графитните части, е необходимо да се положат много малки усилия. Необходим е материал с висока чистота, комбиниран с добра практика за работа и строг контрол на процеса.

Защо системите Veeco EPIK изискват графитни материали с ултраниска порьозност?

Графитните части в платформата Veeco EPIK Systems претърпяват едни от най-суровите условия на обработка в производството на полупроводници. Тези компоненти са изложени на условия на висока температура, агресивна газова химия и дълги технологични цикли. Следователно графитът с ултра ниска порьозност е от решаващо значение за поддържане на целостта и чистотата на SiC епитаксия. Порьозността се отнася до малките вътрешни пори, които съществуват в самото графитно тяло. Въпреки идеално гладката повърхност, могат да съществуват вътрешни пори, които улавят технологични газове, остатъци и почистващи химикали. Високата порьозност означава по-голям вътрешен обем за улавяне, където след излагане на висока температура материалът може бавно да се дегазира. Това дегазиране не винаги е линейно и може да доведе до спуквания, което прави процеса труден за контрол. При SiC епитаксия това е особено вредно. Когато газовете се отделят от графитното тяло, те могат да бъдат включени в газовия поток в епитаксийната камера, допринасяйки за образуването на нежелани частици. Частиците ще попаднат върху повърхността на пластината, влияейки върху растежа на кристалите и може да доведат до неочаквани дефекти, като например случайни вдлъбнатини, грапавост на повърхността или локални вариации в дебелината на пластината. Типичен сценарий е при производствени рампи, където чиста фабрика получава нови графитни части за EPIK система. Първоначалните резултати може да са приемливи, но с повтарянето на термичните цикли, процентът на дефектите може да се увеличи и проверката на технологичния процес, включително газопроводи, клапани и етапи на почистване, може да не разкрие нищо очевидно. Често се оказва, че виновникът е графитът с ниска порьозност във високотемпературната зона. Изборът на графит с ултра ниска порьозност ефективно минимизира този риск, като ограничава вътрешните обеми, в които могат да се скрият заловените частици, като по този начин се минимизира вероятността от внезапно отделяне на газ при нагряване. Това е свързано и с по-добра механична цялост. По-плътната структура на графита с ултра ниска порьозност обикновено предлага повишена устойчивост на напукване, тъй като графитът претърпява многократно термично циклиране. Освен това, повърхностите с ниска порьозност спомагат за подобрена цялост на покритието. Когато SiC или други огнеупорни материали се нанасят върху тези графитни повърхности, те се прилепват добре към по-малко порьозна повърхност. Това вероятно се дължи на повишената интимност на свързването между покрития материал и графита, което от своя страна подобрява издръжливостта и дълготрайността на покритията и потенциала им за отлепване или лющене. В крайна сметка, изборът на графит с ултра ниска порьозност в ежедневния производствен сценарий, макар и свойство на материала, осигурява много пряка полза за постигане на стабилни, чисти и предвидими резултати при производството на пластини в рамките на висококачествени SiC епитаксионни процеси.