Kāpēc augstas tīrības pakāpes grafīts ir kritiski svarīgs SiC epitaksijas defektu kontrolei

Izgatavotā silīcija karbīda (SiC) plāksnes kvalitāti ietekmē pat nelielas izmaiņas augšanas vidē. Daudzi neņem vērā grafītu, kas izklāj reaktoru. Tas iztur intensīvā karstuma pārbaudi reaktora iekšpusē, kamēr tas atbalsta un pozicionē plāksni epitaksijas laikā. Ja grafīts ir netīrs vai neregulāri strukturēts, augšanas procesā var nogulsnēties mazi materiāla daļiņas vai notikt nevēlama reakcija. Nelielas problēmas uz grafīta virsmas var pārvērsties par lieliem plāksnīšu defektiem, kā rezultātā mikroshēmu ražotājiem ir nepieciešams vairāk darba un mazāka raža. Tādējādi plāksnes stāvoklis un tīrība... Grafīta susceptors ir svarīgāks jautājums, nekā vairums varētu iedomāties.

Kā grafīta tīrība ietekmē daļiņu problēmas epitaksijas kamerās?

Daļiņas ir izplatīts plāksnīšu defekts SiC epitaksijas kamerās, un procesā bieži tiek iesaistīts grafīts. Grafīta daļas atrodas SiC reaktora karstajā zonā, nesot plāksni un ietekmējot termiskās kontūras. Izmantojot mazāk tīra grafīta daudzumu, augstas temperatūras augšanas laikā laika gaitā no grafīta var lēnām izplūst tādi piemaisījumi kā metāliski piesārņotāji, pelni vai procesa atlikumi. Izdalītie piemaisījumi kamerā bieži vien nav nosakāmi, bet tie galu galā nokļūst uz plāksnīšu virsmas vai kļūst par gāzes fāzes daļu. Piemēram, vienā pielietojumā rūpnīca izvēlējās zemākas kvalitātes grafītu izmaksu ietaupījuma labad. Lai gan sākotnēji īsos ražošanas ciklos problēmas nebija redzamas, pēc vairākiem cikliem... Sic epitaksija Uz vafeļu virsmas tika novēroti nejauši caurumiņi un raupji plankumi. Šādu defektu avots tika izsekots līdz mikrodaļiņām, kas izdalās no grafīta turētāja vai susceptora. Daļiņas nonāk augšanas kamerā un nevēlamā veidā darbojas kā sēklas. Nevienmērīgs grafīta detaļas blīvums arī veicina mikroplaisu veidošanos uz detaļas virsmas karsēšanas laikā, kā rezultātā laika gaitā kamerā nonāk smalkas daļiņas, pat ja detaļa var šķist tīra. Tādēļ grafīta avota un tā vēstures uzraudzība ir ikdienas uzdevums rūpnīcās, lai izvairītos no ar daļiņām saistītiem defektiem. Augstas tīrības pakāpes grafīts ar kontrolētu pelnu daudzumu parasti ir vēlams, īpaši ilgtermiņa ražošanā. Tiek uzraudzīts arī detaļu termisko ciklu skaits, jo materiāli atdalīs daļiņas pat pēc labas sākotnējās apstrādes. Arī grafīta detaļu apkopes metode ietekmē defektus. Piemēram, agresīvas tīrīšanas procedūras sabojātu grafīta virsmu un izraisītu mikroplaisas. Vēlamā metode ir maigs, kontrolēts tīrīšanas process ar minimālu fizisku mijiedarbību ar grafīta detaļām. Ekonomisku apsvērumu dēļ detaļu nomaiņa ātrāk nekā paredzēts varētu būt labāka nekā ražas zuduma novēršana vēlākos posmos. Īsumā, daļiņu veidošanās kontrole tipiskā SiC epitaksijas procesā ir saistīta ar nelielām detaļām par materiāla kvalitāti un apstrādes praksi. Grafīta kvalitātes jautājums ir šī jautājuma pamatā.

Materiālu prasības augstas klases SiC epitaksiālajām detaļām un susceptoriem

SiC epitaksijas gadījumā reaktora detaļas ir paredzētas ne tikai vafeļu "noturēšanai". Susceptori, grafīta nesēji un karstās zonas komponenti reaktorā tieši ietekmē kristālu augšanu. Tāpēc materiāli ir ļoti prasīgi, un neliels defekts galu galā izpaudīsies kā defekts uz vafeļu plāksnītes. Augsta termiskā stabilitāte ir pamatprasība. Detaļas tiek ilgstoši karsētas ļoti augstā temperatūrā (dažreiz atkārtoti karsēšanas/dzesēšanas cikli). Materiāls, kas nespēj saglabāt stabilitāti šajās temperatūrās, deformēsies un galu galā var saplaisāt. Nelielas ģeometrijas izmaiņas var ievērojami mainīt gāzes plūsmu un siltuma sadalījumu, kā rezultātā uz vafeļu virsmas kristāli aug nevienmērīgi. Tīrība ir vēl viens kritisks faktors. Augstas klases SiC procesiem ir nepieciešams ļoti zems metālu saturs un ļoti zems pelnu līmenis grafīta komponentos. Darbības laikā metālu pēdas lēnām izskalosies no detaļām, piesārņotāji var difundēt kamerā un izraisīt daļiņu piesārņojumu vai lokālus kristālu defektus. Dažās rūpnīcās nejauša sakraušanas kļūme ir izsekota vienai piesārņota susceptora partijai. Virsmas struktūra ir svarīga prasība. Gluda un līdzena virsma palīdzēs samazināt daļiņu izdalīšanos sildīšanas/dzesēšanas cikla laikā. Nevienmērīga virsma vai poras virsmas struktūrā darbības laikā nepārtraukti sadalīsies, tādējādi radot pastāvīgu daļiņu avotu kamerā. Vēl viena būtiska prasība ir pārklājuma kvalitāte. Daudzi augstas klases susceptori izmanto SiC pārklājumu kā aizsargslāni. Pārklājumam ir labi jāpielīp pie pamatmateriāla un jāiztur ilgstoša darbība. Slikta saķere un atdalīšanās tieši pakļaus pamatgrafītu skarbai reakcijas videi. Mēs to bieži redzam reālos pielietojumos: piemēram, vafeļu ražotne, kas darbojas ilgstoši, novēros, ka defektu līmenis pēc simtiem cikliem nepārtraukti pieaug. Pārbaudot susceptoru, var atklāt nelielu pārklājuma nodilumu un malu eroziju. Komponenta maiņa vai nomaiņa atjaunos defektu līmeni pieņemamā līmenī. Pareizo materiālu izvēle nav atkarīga tikai no komponentu sākotnējās veiktspējas, bet arī no materiāla stabilitātes atkārtotos ciklos.

Graudu struktūras ietekme uz termisko stabilitāti AIXTRON G10 sistēmās

Grafīta komponentu graudu struktūra augstas temperatūras SiC iekšpusē Epitaksijas augšana Sistēma, piemēram, AIXTRON G10, būtiski ietekmē termisko stabilitāti. Tas attiecas uz izmēru izmaiņām, formas saglabāšanu un reakciju uz termiskajiem cikliem. Grafīts nav monolīta cietviela. Tas sastāv no daudziem kristālītiem vai graudiem. Atsevišķiem kristālītiem var būt atšķirīga orientācija. Ja grafīta komponentā ir slikta graudu izmēra kontrole, rodas nevienmērīgs siltuma sadalījums. Komponenta zonas uzkarst un atdziest ar atšķirīgu ātrumu. Tas rada iekšējo spriegumu mikro līmenī. Lēnām laika gaitā šis iekšējais spriegums izraisa deformāciju vai deformāciju tādās detaļās kā susceptors vai plāksnītes nesējs. Šo procesu ir viegli identificēt ražošanas laikā. Tas parasti parādās, kad plāksnītes līnija darbojas augstā temperatūrā. Plāksnītes kvalitāte sāk mainīties pēc simtiem termisko ciklu. Biezuma svārstības palielinās, un malu defekti sāk parādīties regulārāk. Kad šīs detaļas tiek pārbaudītas, tām parasti ir deformācijas vai materiāla noguruma pazīmes. Sīkgraudainām struktūrām ar kontrolētu kristālītu sadalījumu būs daudz labāka termiskā stabilitāte nekā rupjiem graudiem vai nejaušām struktūrām. Tas nodrošinās vienmērīgāku siltuma pārnesi un samazinās lokalizētos sprieguma punktus. Ar pareizu graudu struktūru detaļas izturēs deformāciju pat simtiem termisko ciklu laikā. Rupjas struktūras vai slikti sadalītas graudu struktūras rada vājas vietas detaļā, kas ļauj rasties mikroplaisām un galu galā daļiņām izplūst kamerā. Vēl viens svarīgs jautājums, kas jāņem vērā, ir izturība pret termisko triecienu. Ir punkti, kuros detaļa piedzīvo ievērojamas temperatūras izmaiņas, piemēram, ielādes reaktorā vai izņemšanas laikā. Ja starp graudiem ir vājas robežas, tad gar graudu līnijām var veidoties mikroplaisas. Lai gan tas parasti neizraisa detaļas bojājumus, tas ļauj šiem vājajiem punktiem veidoties materiālā, radot problēmas nākotnē. Lielākā daļa rūpnīcu izseko detaļas kalpošanas laiku gan pēc izmantotajām stundām, gan pēc termisko ciklu skaita un kopējās termiskās apstrādes. Detaļām ar labi izstrādātu graudu struktūru ir ilgāks kalpošanas laiks un vienmērīgāki rezultāti laika gaitā.

Metāla piesārņojuma samazināšana augstas tīrības pakāpes grafīta komponentos

Viena no "neredzamajām", bet kritiskajām problēmām jebkurā grafīta detaļā, tostarp SiC epitaksijas procesā, ir metālu piesārņojums. Pat niecīgas metālu pēdas grafīta detaļā var nonākt procesā un kļūt par grūti izsekojamu defektu avotu SiC epitaksijas reaktorā, piemēram, AIXTRON G10. Šādi metāli parasti rodas no izejvielām vai dažādiem grafīta komponenta ražošanas procesa posmiem. Tādi elementi kā dzelzs, niķelis, kalcijs un nātrijs ir bieži sastopami un istabas temperatūrā paliek iesprostoti grafīta masā, tomēr paaugstinātā SiC epitaksijas procesa temperatūrā šie elementi var kļūt mobili. Šie metālu traipi galu galā var tikt izvadīti no gāzes vai migrēt uz virsmas atkārtotu sildīšanas/dzesēšanas ciklu laikā karstajā zonā, proti, pašā susceptorā vai plāksnē. Tipisks gadījums būtu šāds: rūpnīca sāk ražošanas partiju, izmantojot jaunas grafīta detaļas. Pirmās plāksnītes ir kārtībā un neuzrāda defektus, bet pēc noteikta laika sāk parādīties nelieli defekti. Tie parasti ir sīkas bedres, nejauši kaudzītes defekti vai neizskaidrojami daļiņu notikumi. Kameras tīrīšanas laikā ir viegli kļūdaini aizdomāties par nepareizu gāzes plūsmu vai piesārņojuma gadījumu. Taču detalizēta analīze bieži vien noved pie lēnas metālu mikroelementu izdalīšanās no grafīta komponentiem. Grafīta tīrības kontrole ir viens no galvenajiem faktoriem. Kritiskām sastāvdaļām vienmēr priekšroka tiek dota augstas temperatūras attīrītam grafītam ar zemu pelnu saturu. Šis attīrīšanas solis noņem lielāko daļu metālu atlikumu. Šāds grafīts var ilgāk aizturēt elementus pat atkārtotu sildīšanas/dzesēšanas ciklu laikā. Dažās rūpnīcās ļoti svarīga ir arī grafīta detaļu sākotnējā pārbaude. Grafīta partiju testēšana ar tādām metodēm kā ICP-OES vai XRF var novērst piesārņotu detaļu izmantošanu. Tā var arī novērst detaļu sajaukšanu no dažādiem avotiem vienā procesa plūsmā. Pārklājumi, piemēram, SiC vai TaC, arī palīdz atrisināt problēmu, darbojoties kā barjera starp grafīta detaļu un procesa vidi. Kamēr pārklājums ir labi nogulsnēts un saistīts ar pamatā esošo grafīta substrātu, tas samazinās grafīta detaļas mijiedarbību ar procesa vidi. Visbeidzot, bet ne mazāk svarīgi, ir grafīta detaļu apstrāde un uzglabāšana. Grafīta detaļas var tikt piesārņotas apstrādes laikā ar netīriem cimdiem, instrumentiem vai uzglabājot tās netīrā plauktā. Šis virsmas piesārņojums var nokļūt krāsnī karsēšanas cikla laikā. Lai samazinātu grafīta detaļu metālisko piesārņojumu, ir jāpieliek daudz mazu pūliņu. Nepieciešams augstas tīrības pakāpes materiāls apvienojumā ar labu apstrādes praksi un stingru procesa kontroli.

Kāpēc Veeco EPIK Systems pieprasa īpaši zemas porainības grafīta materiālus?

Veeco EPIK Systems platformas grafīta detaļas tiek pakļautas vienam no skarbākajiem procesa apstākļiem pusvadītāju ražošanā. Šīs sastāvdaļas saskaras ar augstas temperatūras, agresīvas gāzes ķīmijas un ilgu procesa ciklu apstākļiem. Tāpēc īpaši zemas porainības grafīts ir kritiski svarīgs, lai saglabātu SiC epitaksijas integritāti un tīrību. Porainība attiecas uz mazajām iekšējām porām, kas atrodas pašā grafīta ķermenī. Neskatoties uz pilnīgi gludu virsmu, var pastāvēt iekšējās poras, kas uztver procesa gāzes, atlikumus un tīrīšanas ķīmiju. Augsta porainība nozīmē lielāku iekšējo tilpumu uztveršanai, kur pēc augstas temperatūras iedarbības materiāls var lēnām degazēt. Šī degazācija ne vienmēr ir lineāra un var izraisīt plīsumus, apgrūtinot procesa kontroli. SiC epitaksijā tas ir īpaši kaitīgi. Kad no grafīta ķermeņa izdalās gāzes, tās var iekļauties gāzes plūsmā epitaksijas kamerā, veicinot nevēlamu daļiņu veidošanos. Daļiņas nonāks uz vafeles virsmas, ietekmējot kristāla augšanu un var izraisīt negaidītus defektus, piemēram, nejaušus bedrus, virsmas raupjumu vai lokālas vafeles biezuma variācijas. Tipisks scenārijs ir ražošanas rampas, kur tīra rūpnīca saņem jaunas grafīta detaļas EPIK sistēmai. Sākotnējie rezultāti varētu būt pieņemami, tomēr, termiskajiem cikliem atkārtojoties, defektu līmenis var pakāpeniski pieaugt, un procesa līnijas, tostarp gāzes vadu, vārstu un tīrīšanas procesa posmu, pārbaude var neatklāt neko acīmredzamu. Bieži vien atklājas, ka vaininieks ir zemas porainības grafīts augstas temperatūras zonā. Īpaši zemas porainības grafīta izvēle efektīvi samazina šo risku, ierobežojot iekšējos tilpumus, kuros var paslēpties iesprostotās vielas, samazinot pēkšņas gāzes izdalīšanās iespējamību karsēšanas laikā. Tas ir saistīts arī ar labāku mehānisko integritāti. Īpaši zemas porainības grafīta blīvākā struktūra parasti piedāvā lielāku izturību pret plaisāšanu, jo grafīts tiek pakļauts atkārtotiem termiskajiem cikliem. Turklāt zemas porainības virsmas veicina uzlabotu pārklājuma integritāti. Kad uz šīm grafīta virsmām tiek uzklāts SiC vai citi ugunsizturīgi materiāli, tie labi pielīp pie mazāk porainas virsmas. Tas, visticamāk, ir saistīts ar pastiprinātu saikni starp pārklāto materiālu un grafītu, kas savukārt uzlabo pārklājumu izturību un ilgmūžību, kā arī to lobīšanās vai lobīšanās potenciālu. Galu galā īpaši zemas porainības grafīta izvēle ikdienas ražošanas scenārijā, lai gan tā ir materiāla īpašība, sniedz ļoti tiešu labumu stabilu, tīru un paredzamu vafeļu rezultātu sasniegšanā augstas klases SiC epitaksijas procesos.