Miért kritikus a nagy tisztaságú grafit a SiC epitaxiális hibáinak szabályozásában?

A szilícium-karbid (SiC) szelet minőségét a növekedési környezet apró változásai is befolyásolják. Sokan nem veszik figyelembe a reaktort bélelő grafitot. Ez kiállja a reaktorban található intenzív hő próbáját, miközben az epitaxia során a szeletet tartja és pozicionálja. Ha a grafit szennyezett vagy szabálytalan szerkezetű, apró anyagdarabkák vagy nemkívánatos reakciók rakódhatnak le a növekedési folyamat során. A grafit felületén lévő apró problémák súlyos szelethibákká válhatnak, ami több munkát és alacsonyabb hozamot eredményez a chipgyártók számára. Így a reaktor állapota és tisztasága... Grafit szuszceptor fontosabb kérdés, mint azt a legtöbben gondolnák.

Hogyan befolyásolja a grafit tisztasága a részecskeproblémákat az epitaxiális kamrákban?

A részecskék átható lapkahibák a SiC epitaxiális kamrákban, és gyakran grafitot is tartalmaznak a folyamatban. A grafit részek a SiC reaktor forró zónájában helyezkednek el, hordozzák a lapkát és befolyásolják a hőkontúrokat. Kevésbé tiszta grafit használatával a nyomokban szennyeződések, például fémes szennyeződések, hamu vagy folyamatmaradványok, idővel, magas hőmérsékletű növekedés során lassan gázt bocsáthatnak ki a grafitból. A kigázosodott szennyeződések gyakran nem észlelhetők a kamrában, de végül a lapka felületére kerülnek, vagy a gázfázis részévé válnak. Például egy alkalmazásban egy gyár költségmegtakarítás céljából alacsonyabb minőségű grafitot választott. Bár kezdetben rövid ciklusok alatt nem mutatkoztak problémák, több ciklus után... Sic epitaxia A lapka felületén véletlenszerű tűszúrásszerű lyukakat és durva foltokat figyeltek meg. Az ilyen hibák forrását a grafittartóból vagy szuszceptorból kibocsátott mikrorészecskékre vezették vissza. A részecskék bejutottak a növekedési kamrába, és nemkívánatos módon csíraként működtek. A grafit alkatrész egyenetlen sűrűsége szintén hozzájárult a mikrorepedések kialakulásához az alkatrész felületén melegítés hatására, ami idővel finom részecskék kihullásához vezetett a kamrába, még akkor is, ha az alkatrész tisztának tűnt. Így a grafit forrásának és előzményeinek ellenőrzése rutinfeladat a gyárakban a részecskékkel kapcsolatos hibák elkerülése érdekében. A nagy tisztaságú grafit szabályozott mennyiségű hamuval általában kívánatos, különösen hosszú távú gyártás esetén. Az alkatrészek termikus ciklusainak számát is figyelemmel kísérik, mivel az anyagok még a jó kezdeti feldolgozás után is részecskéket hullatnak le. A grafit alkatrészek karbantartási módszere is befolyásolja a hibákat. Például az agresszív tisztítási eljárások károsíthatják a grafit felületét, és mikrorepedéseket eredményezhetnek. Az előnyös módszer egy enyhe, szabályozott tisztítási folyamat, minimális fizikai kölcsönhatással a grafit alkatrészekkel. Gazdasági okokból az alkatrészek vártnál korábbi cseréje jobb lehet, mint a későbbi szakaszokban jelentkező hozamveszteséggel foglalkozni. Dióhéjban a részecskeképződés szabályozása egy tipikus SiC epitaxiális eljárásban az anyagminőség és a kezelési gyakorlat apró részletei körül forog. A grafit minőségének kérdése áll a középpontban.

Anyagkövetelmények a csúcskategóriás SiC epitaxiális alkatrészekhez és szuszceptorokhoz

A SiC epitaxia esetében a reaktorban lévő alkatrészek feladata nem csupán az ostya „tartása”. A reaktorban található szuszceptorok, grafithordozók és forró zóna komponensek közvetlenül befolyásolják a kristálynövekedést. Ezért az anyagok nagyon igényesek, és egy kis hiba végül hibaként jelentkezik az ostyán. A nagy hőstabilitás alapvető követelmény. Az alkatrészeket hosszú ideig nagyon magas hőmérsékleten melegítik (néha ismétlődő fűtési/hűtési ciklusok). Az az anyag, amely nem képes megtartani a stabilitást ezeken a hőmérsékleteken, deformálódik, és végül megrepedhet. A geometria apró változásai jelentősen megváltoztathatják a gázáramlást és a hőeloszlást, ami egyenetlen kristálynövekedést eredményez az ostya felületén. A tisztaság egy másik kritikus tényező. A csúcskategóriás SiC-eljárások nagyon alacsony fémtartalmat és nagyon alacsony hamutartalmat igényelnek a grafit alapú alkatrészekben. Működés közben a nyomelemek lassan kioldódnak az alkatrészekből, a szennyező anyagok bediffundálhatnak a kamrába, és részecskeszennyeződést vagy helyi kristályhibákat okozhatnak. Egyes gyárakban a véletlenszerű halmozási hibát egyetlen szennyezett szuszceptor-tételre vezették vissza. A felületi szerkezet fontos követelmény. A sima és egyenletes felület segít csökkenteni a részecskék leválását a fűtési/hűtési ciklus során. Az egyenetlen felület, vagy a felületi szerkezeten belüli pórusok működés közben folyamatosan lebomlanak, és így állandó részecskeforrást generálnak a kamrába. A bevonat minősége szintén alapvető követelmény. Számos csúcskategóriás szuszceptor SiC bevonatot használ védőrétegként. A bevonatnak jól kell tapadnia az alapanyaghoz, és ellen kell állnia a hosszan tartó működésnek. A rossz kötés és rétegelválás közvetlenül kiteszi az alapgrafitot a zord reakciókörnyezetnek. Ezt gyakran látjuk a valós alkalmazásokban: például egy hosszú gyártási sorozatban működő ostyagyár azt figyeli meg, hogy a hibaszázalék több száz ciklus után folyamatosan növekszik. A szuszceptor vizsgálatakor a bevonat enyhe kopása és az él eróziója látható. Az alkatrész cseréje vagy cseréje a hibaszázalékot elfogadható szintre állítja vissza. A megfelelő anyagok kiválasztása nemcsak az alkatrészek kezdeti teljesítményéről szól, hanem az anyag stabilitásáról is ismételt ciklusokban.

A szemcseszerkezet hatása a termikus stabilitásra AIXTRON G10 rendszerekben

A grafit alkatrészek szemcseszerkezete magas hőmérsékletű SiC-ben Epitaxiális növekedés Egy olyan rendszer, mint például egy AIXTRON G10, nagyban befolyásolja a hőstabilitást. Ez a méretváltozásokra, az alaktartásra és a hőciklusokra adott válaszra vonatkozik. A grafit nem monolitikus szilárd anyag. Számos kristályból vagy szemcséből áll. Az egyes kristályok orientációja eltérő lehet. Ha a grafitkomponensen belül a szemcseméret nem megfelelően szabályozott, egyenetlen hőeloszlás alakul ki. Az alkatrész egyes területei eltérő sebességgel melegszenek fel és hűlnek le. Ez mikroszinten belső feszültséget hoz létre. Idővel ez a belső feszültség vetemedést vagy torzulást okoz olyan alkatrészekben, mint a szuszceptor vagy a szelethordozó. Ez a folyamat könnyen azonosítható a gyártás során. Általában akkor jelentkezik, amikor a szeletgyártó sor magas hőmérsékleten működik. A szelet minősége több száz hőciklus után elkezd változni. A vastagság változásai nőnek, és az élhibák rendszeresebben kezdenek megjelenni. Amikor ezeket az alkatrészeket megvizsgáljuk, általában vetemedés vagy anyagfáradás jeleit mutatják. A szabályozott kristályeloszlású finomszemcsés szerkezetek sokkal jobb hőstabilitással rendelkeznek, mint a durva szemcsék vagy a véletlenszerű szerkezetek. Ez egyenletesebb hőátadást és csökkent lokalizált feszültségpontokat eredményez. Megfelelő szemcseszerkezettel az alkatrészek több száz hőciklus után is ellenállnak a vetemedésnek. A durva szerkezetek vagy a rosszul elosztott szemcseszerkezetek gyenge pontokat eredményeznek az alkatrészen belül, ami lehetővé teszi a mikrorepedések kialakulását és a részecskék végső soron a kamrába való kijutását. Egy másik fontos szempont a hősokkkal szembeni ellenállás. Vannak olyan pontok, ahol az alkatrész jelentős hőmérséklet-változáson megy keresztül, például a reaktorba való betöltéskor vagy eltávolításkor. Ha gyenge határvonalak vannak a szemcsék között, akkor mikrorepedések alakulhatnak ki a szemcsevonalak mentén. Bár ez általában nem vezet alkatrész meghibásodásához, lehetővé teszi ezeknek a gyengeségeknek a kialakulását az anyagban, ami jövőbeni megbízhatósági problémákhoz vezet. A legtöbb gyár nyomon követi az alkatrészek élettartamát mind a felhasznált órák, mind a hőciklusok száma és a teljes hőkezelés alapján. A jól megtervezett szemcseszerkezettel rendelkező alkatrészek hosszabb élettartammal és idővel következetesebb eredményekkel rendelkeznek.

A fémszennyeződés csökkentése nagy tisztaságú grafit alkatrészekben

Az egyik „láthatatlan”, de kritikus probléma bármely grafit alkatrésznél, beleértve a SiC epitaxiális eljárást is, a fémes szennyeződés. Még a grafit alkatrészben lévő apró fémnyomok is kioldódhatnak a folyamatba, és nehezen nyomon követhető hibák forrásává válhatnak egy SiC epitaxiális reaktorban, mint például az AIXTRON G10. Az ilyen fémek általában a nyersanyagokból vagy a grafit alkatrész gyártásának különböző feldolgozási lépéseiből származnak. Az olyan elemek, mint a vas, a nikkel, a kalcium és a nátrium, gyakoriak, és szobahőmérsékleten a grafit nagy részében maradnak, azonban a SiC epitaxiában alkalmazott magasabb folyamathőmérsékleten ezek az elemek mozgékonysá válhatnak. Ezek a nyomokban lévő fémek végül kigázosodhatnak, vagy a felületre vándorolhatnak a forró zónában, nevezetesen magában a szuszceptorban vagy a lapkatartóban végzett ismételt fűtési/hűtési ciklusok során. Egy tipikus eset a következő lenne: egy gyár új grafit alkatrészekkel indít egy gyártási tételt. Az első néhány lapka rendben van, és nem mutat hibát, de egy bizonyos idő elteltével apró hibák kezdenek megjelenni. Ezek általában apró gödrök, véletlenszerű réteghibák vagy megmagyarázhatatlan részecskeesemények. Könnyű tévesen gyanakodni egy helytelen gázáramlásra vagy szennyeződésre a kamra tisztítása során. A részletes elemzés azonban gyakran a grafit alkatrészekből származó nyomelemek lassú felszabadulására vezet vissza. A grafit tisztaságának szabályozása az egyik kulcs. A kritikus alkatrészek esetében mindig előnyös a magas hőmérsékleten tisztított, alacsony hamutartalmú grafit. Ez a tisztítási lépés eltávolítja a fémes maradványok nagy részét. Az ilyen grafit hosszabb ideig csapdában tarthatja az elemeket, még ismételt fűtési/hűtési ciklusok alatt is. A grafit alkatrészek bejövő ellenőrzése is nagyon fontos egyes gyárakban. A grafit tételek olyan technikákkal történő tesztelése, mint az ICP-OES vagy az XRF, megakadályozhatja a szennyezett alkatrészek használatát. Megakadályozhatja a különböző forrásokból származó alkatrészek keverését ugyanazon folyamatfolyamaton belül. Az olyan bevonatok, mint a SiC vagy a TaC, szintén segítenek megoldani a problémát azáltal, hogy gátként működnek a grafit alkatrész és a folyamatkörnyezet között. Amíg a bevonat jól lerakódik és kötődik az alatta lévő grafit hordozóhoz, csökkenti a grafit alkatrész kölcsönhatását a folyamatkörnyezettel. Végül, de nem utolsósorban a grafit alkatrészek kezelése és tárolása. A grafit alkatrészek szennyeződhetnek a szennyezett kesztyűkkel, eszközökkel történő kezelés során, vagy ha szennyezetlen polcon tárolják őket. Ez a felületi szennyeződés a fűtési ciklus során bejuthat a kemencébe. A grafit alkatrészek fémszennyeződésének csökkentése sok apró erőfeszítés összege. Nagy tisztaságú anyagra van szükség, megfelelő kezelési gyakorlattal és szigorú folyamatszabályozással kombinálva.

Miért igényel a Veeco EPIK Systems ultra-alacsony porozitású grafitanyagokat?

A Veeco EPIK Systems platformján található grafitalkatrészek a félvezetőgyártás egyik legmostohább folyamatkörülményeinek vannak kitéve. Ezek az alkatrészek magas hőmérsékletnek, agresszív gázkémiai körülményeknek és hosszú folyamatciklusoknak vannak kitéve. Az ultra alacsony porozitású grafit ezért kritikus fontosságú a SiC epitaxiális integritásának és tisztaságának megőrzése szempontjából. A porozitás a grafittestben található apró, belső pórusokra utal. A tökéletesen sima felület ellenére is előfordulhatnak belső pórusok, amelyek felfogják a folyamatgázokat, a maradványokat és a tisztítószereket. A nagy porozitás nagyobb belső térfogatot jelent a felfogáshoz, ahol a magas hőmérsékletnek való kitettség után az anyag lassan gáztalanítható. Ez a gáztalanítás nem mindig lineáris, és robbanásokhoz vezethet, ami megnehezíti a folyamat szabályozását. A SiC epitaxiális eljárás során ez különösen káros. Amikor gázok szabadulnak fel a grafittestből, beépülhetnek az epitaxiális kamrában lévő gázáramba, ami nemkívánatos részecskékhez vezethet. A részecskék utat találnak a lapka felületére, hatással vannak a kristálynövekedésre, és váratlan hibákhoz vezethetnek, mint például véletlenszerű gödrök, felületi érdesedés vagy a lapka vastagságának lokális változásai. Tipikus forgatókönyv a gyártási rámpákon, ahol egy tiszta gyár új grafit alkatrészeket kap egy EPIK rendszerhez. A kezdeti eredmények elfogadhatóak lehetnek, azonban a hőciklusok ismétlődésével a hibaszázalékok kúszva növekedhetnek, és a folyamatlánc, beleértve a gázvezetékeket, szelepeket és a tisztítási folyamat szakaszait, ellenőrzése során nem derül ki semmi nyilvánvaló. Gyakran kiderül, hogy a bűnös az alacsony porozitású grafit a magas hőmérsékleti zónában. Az ultra alacsony porozitású grafit kiválasztása hatékonyan minimalizálja ezt a kockázatot azáltal, hogy korlátozza a belső térfogatokat, amelyekben a csapdába esett részecskék elrejthetők, minimalizálva a hirtelen gázkibocsátás valószínűségét hevítéskor. Ez jobb mechanikai integritással is jár. Az ultra alacsony porozitású grafit sűrűbb szerkezete jellemzően fokozott ellenállást kínál a repedéssel szemben, mivel a grafit ismételt hőciklusokon megy keresztül. Továbbá az alacsony porozitású felületek elősegítik a bevonat fokozott integritását. Amikor SiC-t vagy más tűzálló anyagokat vonnak be ezekre a grafitfelületekre, azok jól tapadnak egy kevésbé porózus felülethez. Ez valószínűleg a bevont anyag és a grafit közötti kötés fokozott intimitásából adódik, ami viszont növeli a bevonatok tartósságát és élettartamát, valamint csökkenti a lepattogzási vagy lepattogzási potenciáljukat. Végső soron az ultra alacsony porozitású grafit kiválasztása a mindennapi gyártási forgatókönyvekben, bár anyagtulajdonság, közvetlen előnyt jelent a stabil, tiszta és kiszámítható ostyaeredmények elérésében a csúcskategóriás SiC epitaxiális eljárások során.