Kodėl didelio grynumo grafitas yra labai svarbus SiC epitaksijos defektų kontrolei

Pagamintos silicio karbido (SiC) plokštelės kokybei įtakos turi net ir nedideli augimo aplinkos pokyčiai. Sritis, į kurią daugelis neatsižvelgia, yra reaktoriaus viduje esantis grafitas. Jis atlaiko intensyvios šilumos, esančios reaktoriaus viduje, išbandymą, kai jis laiko ir pozicionuoja plokštelę epitaksijos metu. Jei grafitas yra nešvarus arba netaisyklingos struktūros, augimo proceso metu gali nusėsti maži medžiagos gabalėliai arba įvykti nepageidaujama reakcija. Mažos grafito paviršiaus problemos gali virsti dideliais plokštelių defektais, dėl kurių lustų gamintojams reikės daugiau darbo ir sumažės našumas. Taigi, lustų būklė ir švara... Grafito susceptorius yra svarbesnis klausimas, nei dauguma mano.

Kaip grafito grynumas veikia dalelių problemas epitaksijos kamerose?

Dalelės yra paplitęs SiC epitaksijos kamerų plokštelės defektas, o procese dažnai dalyvauja grafitas. Grafito dalys yra karštojoje SiC reaktoriaus zonoje, perneša plokštelę ir daro įtaką terminiams kontūrams. Naudojant mažiau gryno grafito, pėdsakai priemaišų, tokių kaip metaliniai teršalai, pelenai arba proceso likučiai, augimo aukštoje temperatūroje metu gali lėtai išsiskirti iš grafito dujomis. Išsiskyrusių priemaišų kameroje dažnai neįmanoma aptikti, tačiau jos galiausiai nusėda ant plokštelės paviršiaus arba tampa dujų fazės dalimi. Pavyzdžiui, vienu atveju gamykla pasirinko žemesnės kokybės grafitą, kad sutaupytų lėšų. Nors iš pradžių trumpų gamybos etapų metu jokių problemų nekilo, po kelių ciklų... Sic epitaksija Plokštelės paviršiuje buvo pastebėtos atsitiktinės skylutės ir šiurkščios dėmės. Tokių defektų šaltinis buvo atsektas į mikrodaleles, išsiskyrusias iš grafito laikiklio arba susceptoriaus. Dalelės patekdavo į auginimo kamerą ir nepageidaujamu būdu veiktų kaip užuomazgos. Netolygus grafito detalės tankis taip pat prisidėtų prie mikroįtrūkimų detalės paviršiuje kaitinant, todėl laikui bėgant į kamerą patekdavo smulkių dalelių, net jei detalė atrodydavo švari. Todėl grafito šaltinio ir jo istorijos stebėjimas yra įprasta užduotis gamyklose, siekiant išvengti su dalelėmis susijusių defektų. Paprastai pageidautinas didelio grynumo grafitas su kontroliuojamu pelenų kiekiu, ypač ilgalaikėje gamyboje. Taip pat stebimas detalių terminių ciklų skaičius, nes medžiagos išskirs daleles net ir po gero pradinio apdorojimo. Be to, grafito detalių priežiūros metodas turi įtakos defektams. Pavyzdžiui, agresyvios valymo procedūros pažeistų grafito paviršių ir sukeltų mikroįtrūkimus. Pageidaujamas metodas yra švelnus, kontroliuojamas valymo procesas, kurio metu minimaliai fiziškai sąveikaujama su grafito detalėmis. Dėl ekonominių priežasčių detalių pakeitimas anksčiau nei tikėtasi gali būti geresnis sprendimas, nei susidoroti su išeigos nuostoliais vėlesniuose etapuose. Trumpai tariant, dalelių susidarymo kontrolė tipiškame SiC epitaksijos procese sukasi apie smulkias detales, susijusias su medžiagos kokybe ir tvarkymo praktika. Svarbiausias klausimas yra grafito kokybė.

Medžiagų reikalavimai aukštos klasės SiC epitaksinėms dalims ir susceptoriams

SiC epitaksijos atveju reaktoriaus dalys skirtos ne tik plokštelei „laikyti“. Susceptoriai, grafito nešėjai ir karštosios zonos komponentai reaktoriuje tiesiogiai veikia kristalų augimą. Štai kodėl medžiagos yra labai reiklios, ir nedidelis defektas galiausiai pasireiškia kaip plokštelės defektas. Didelis terminis stabilumas yra esminis reikalavimas. Dalys ilgą laiką kaitinamos labai aukštoje temperatūroje (kartais pasikartojantys kaitinimo / aušinimo ciklai). Medžiaga, kuri negali išlaikyti stabilumo šiose temperatūrose, deformuosis ir galiausiai gali įtrūkti. Nedideli geometrijos pokyčiai gali smarkiai pakeisti dujų srautą ir šilumos pasiskirstymą, dėl to kristalai plokštelės paviršiuje augs netolygiai. Grynumas yra dar vienas svarbus veiksnys. Aukštos klasės SiC procesams reikalingas labai mažas metalų kiekis ir labai mažas pelenų lygis grafito pagrindu pagamintuose komponentuose. Eksploatacijos metu mikroelementai lėtai išsiskirs iš dalių, teršalai gali difunduoti į kamerą ir sukelti dalelių užterštumą arba vietinius kristalų defektus. Kai kuriose gamyklose atsitiktinis krovimo defektas buvo nustatytas vienoje užteršto susceptoriaus partijoje. Paviršiaus struktūra yra svarbus reikalavimas. Lygus ir lygus paviršius padės sumažinti dalelių išsiskyrimą kaitinimo / aušinimo ciklo metu. Nevienodas paviršius arba poros paviršiaus struktūroje veikimo metu nuolat irs, todėl į kamerą pateks nuolat dalelių. Dangos kokybė taip pat yra dar vienas esminis reikalavimas. Daugelyje aukščiausios klasės susceptorių naudojama SiC danga kaip apsauginis sluoksnis. Danga turi gerai prilipti prie pagrindinės medžiagos ir atlaikyti ilgalaikį veikimą. Prastas sukibimas ir delaminacija tiesiogiai paveiks pagrindinį grafitą atšiauriai reakcijos aplinkai. Tai dažnai matome realiose situacijose: pavyzdžiui, plokštelių gamykloje, kurioje gaminama ilga partija, defektų dažnis nuolat didėja po šimtų ciklų. Apžiūrėjus susceptorių, pastebimas nedidelis dangos susidėvėjimas ir kraštų erozija. Pakeitus komponentą, defektų dažnis sugrįš į priimtiną lygį. Tinkamų medžiagų pasirinkimas priklauso ne tik nuo pradinio komponentų veikimo, bet ir nuo medžiagos stabilumo pasikartojančiuose cikluose.

Grūdų struktūros įtaka terminiam stabilumui AIXTRON G10 sistemose

Grafito komponentų grūdelių struktūra aukštos temperatūros SiC viduje Epitaksijos augimas Sistema, tokia kaip AIXTRON G10, daro didelę įtaką terminiam stabilumui. Tai susiję su matmenų pokyčiais, formos išlaikymu ir reakcija į terminius ciklus. Grafitas nėra monolitinė kieta medžiaga. Jį sudaro daugybė kristalitų arba grūdelių. Atskiri kristalitai gali turėti skirtingą orientaciją. Kai grafito komponento grūdelių dydis blogai kontroliuojamas, atsiranda netolygus šilumos pasiskirstymas. Komponento sritys įkaista ir atvėsta skirtingu greičiu. Tai sukuria vidinį įtempį mikro lygmeniu. Laikui bėgant, šis vidinis įtempis sukelia deformaciją arba iškraipymą tokiose dalyse kaip susceptorius arba plokštelės laikiklis. Šį procesą lengva nustatyti gamybos metu. Paprastai jis pasireiškia, kai plokštelių linija veikia aukštoje temperatūroje. Plokštelių kokybė pradeda svyruoti po šimtų terminių ciklų. Storio skirtumai didėja, o kraštų defektai pradeda atsirasti reguliariau. Ištyrus šias dalis, jos paprastai turi deformacijos arba medžiagos nuovargio požymių. Smulkiagrūdės struktūros su kontroliuojamu kristalitų pasiskirstymu turės daug geresnį terminį stabilumą nei stambiagrūdės arba atsitiktinės struktūros. Tai užtikrins tolygesnį šilumos perdavimą ir sumažins lokalizuotus įtempimo taškus. Esant tinkamai grūdelių struktūrai, detalės bus atsparios deformacijai net ir po šimtų terminių ciklų. Dėl šiurkščios arba netinkamai paskirstytos grūdelių struktūros detalėje atsiranda silpnų vietų, dėl kurių gali atsirasti mikroįtrūkimų ir galiausiai dalelės gali patekti į kamerą. Kitas svarbus klausimas, į kurį reikia atsižvelgti, yra atsparumas terminiam smūgiui. Yra taškų, kai detalės temperatūra smarkiai pasikeičia, pavyzdžiui, pakraunant į reaktorių arba išimant. Jei tarp grūdelių yra silpnos ribos, išilgai grūdelių linijų gali susidaryti mikroįtrūkimai. Nors tai paprastai nesukelia detalės gedimo, tai leidžia šiems medžiagos trūkumams susidaryti, o tai ateityje gali sukelti patikimumo problemų. Dauguma gamyklų stebi detalės tarnavimo laiką tiek pagal sunaudotas valandas, tiek pagal terminių ciklų skaičių ir bendrą terminį apdorojimą. Detalės su gerai suprojektuota grūdelių struktūra tarnauja ilgiau ir laikui bėgant duoda nuoseklesnius rezultatus.

Metalo užterštumo mažinimas didelio grynumo grafito komponentuose

Viena iš „nematomų“, bet kritinių problemų, susijusių su bet kuria grafito dalimi, įskaitant SiC epitaksijos procesą, yra metalų užterštumas. Net ir mažiausi metalų pėdsakai grafito dalyje gali patekti į procesą ir tapti sunkiai aptinkamų defektų šaltiniu SiC epitaksijos reaktoriuje, tokiame kaip AIXTRON G10. Tokie metalai paprastai atsiranda iš žaliavų arba įvairių grafito komponento gamybos etapų metu. Tokie elementai kaip geležis, nikelis, kalcis ir natris yra įprasti ir kambario temperatūroje lieka įstrigę didžiojoje grafito dalyje, tačiau esant aukštesnei SiC epitaksijos proceso temperatūrai, šie elementai gali tapti mobilūs. Šie metalų pėdsakai galiausiai gali būti išgaruoti arba migruoti į paviršių per pakartotinius kaitinimo / aušinimo ciklus karštojoje zonoje, būtent susceptoriuje arba pačiame plokštelių laikiklyje. Tipiškas atvejis būtų toks: gamykla pradeda gamybos partiją, naudodama naujas grafito dalis. Pirmosios kelios plokštelės yra geros ir neturi defektų, tačiau po tam tikro laiko pradeda atsirasti mažų defektų. Paprastai tai yra mažos įdubos, atsitiktiniai krūvos defektai arba nepaaiškinami dalelių įvykiai. Valant kamerą lengva klaidingai įtarti netinkamą dujų srautą arba užterštumo atvejį. Tačiau išsami analizė dažnai lemia lėtą metalų pėdsakų išsiskyrimą iš grafito komponentų. Grafito grynumo kontrolė yra vienas iš raktų. Svarbiausiems komponentams visada pirmenybė teikiama aukštoje temperatūroje išgrynintam grafitui su mažu pelenų kiekiu. Šis gryninimo etapas pašalina didžiąją dalį metalo likučių. Toks grafitas gali ilgiau išlaikyti elementus įstrigusius net ir esant pakartotiniams kaitinimo / aušinimo ciklams. Kai kuriose gamyklose taip pat labai svarbi gaunamų grafito dalių patikra. Grafito partijų testavimas tokiais metodais kaip ICP-OES arba XRF gali užkirsti kelią užterštų dalių naudojimui. Tai taip pat gali užkirsti kelią dalių iš skirtingų šaltinių maišymui tame pačiame proceso sraute. Dangos, tokios kaip SiC arba TaC, taip pat padeda išspręsti problemą, veikdamos kaip barjeras tarp grafito dalies ir proceso aplinkos. Kol danga gerai nusodinta ir prilipusi prie pagrindinio grafito pagrindo, ji sumažins grafito dalies sąveiką su proceso aplinka. Galiausiai, bet ne mažiau svarbu yra grafito dalių tvarkymas ir saugojimas. Grafito dalys gali būti užterštos tvarkant jas nešvariomis pirštinėmis, instrumentais arba laikant ant nešvarios lentynos. Šie paviršiaus teršalai gali patekti į krosnį kaitinimo ciklo metu. Norint sumažinti grafito detalių metalinį užterštumą, reikia įdėti daug mažų pastangų. Reikalinga labai gryna medžiaga, gera tvarkymo praktika ir griežta proceso kontrolė.

Kodėl „Veeco EPIK Systems“ reikalauja itin mažo poringumo grafito medžiagų?

„Veeco EPIK Systems“ platformos grafito dalys patiria vienas atšiauriausių puslaidininkių gamybos proceso sąlygų. Šie komponentai veikiami aukštos temperatūros, agresyvios dujų chemijos ir ilgų proceso ciklų. Todėl itin mažo poringumo grafitas yra labai svarbus norint išlaikyti SiC epitaksijos vientisumą ir švarą. Poringumas reiškia mažas vidines poras, esančias pačiame grafito korpuse. Nepaisant idealiai lygaus paviršiaus, gali būti vidinių porų, kuriose kaupiamos proceso dujos, likučiai ir valymo chemikalai. Didelis poringumas reiškia didesnį vidinį tūrį kaupimui, kur po aukštos temperatūros poveikio medžiaga gali lėtai degazuoti. Šis degazavimas ne visada yra tiesinis ir gali sukelti plyšius, todėl procesą sunku kontroliuoti. SiC epitaksijoje tai ypač žalinga. Kai iš grafito korpuso išsiskiria dujos, jos gali patekti į dujų srautą epitaksijos kameroje ir sukelti nepageidaujamų dalelių susidarymą. Dalelės pateks ant plokštelės paviršiaus, paveikdamos kristalų augimą ir gali sukelti netikėtų defektų, tokių kaip atsitiktinės įdubos, paviršiaus šiurkštumas arba vietiniai plokštelės storio skirtumai. Tipiškas scenarijus yra gamybos rampos, kai švari gamykla gauna naujas grafito dalis EPIK sistemai. Pradiniai rezultatai gali būti priimtini, tačiau kartojantis terminiams ciklams, defektų skaičius gali didėti, o proceso eigos, įskaitant dujų linijas, vožtuvus ir valymo proceso etapus, patikrinimas gali neatskleisti nieko akivaizdaus. Dažnai paaiškėja, kad kaltininkas yra mažai porėtas grafitas aukštos temperatūros zonoje. Itin mažo poringumo grafito pasirinkimas efektyviai sumažina šią riziką, apribodamas vidinius tūrius, kuriuose gali būti paslėptos įstrigusios dalelės, taip sumažinant staigių dujų išsiskyrimo tikimybę kaitinant. Tai taip pat siejama su geresniu mechaniniu vientisumu. Tankesnė itin mažo poringumo grafito struktūra paprastai pasižymi didesniu atsparumu įtrūkimams, kai grafitas patiria pakartotinius terminius ciklus. Be to, mažo poringumo paviršiai skatina geresnį dangos vientisumą. Kai ant šių grafito paviršių padengiamos SiC arba kitos ugniai atsparios medžiagos, jos gerai prilimpa prie mažiau porėto paviršiaus. Tikėtina, kad taip yra dėl padidėjusio glaudaus jungimo tarp padengtos medžiagos ir grafito, o tai savo ruožtu padidina dangų patvarumą ir ilgaamžiškumą bei sumažina jų atsparumą lupimuisi ar dėmėms. Galiausiai, itin mažo poringumo grafito pasirinkimas kasdienėje gamybos aplinkoje, nors ir yra medžiagos savybė, suteikia labai tiesioginės naudos siekiant stabilių, švarių ir nuspėjamų plokštelių rezultatų aukščiausios klasės SiC epitaksijos procesuose.