Per què el grafit d'alta puresa és crític per al control de defectes d'epitàxia de SiC

La qualitat de l'oblea de carbur de silici (SiC) produïda es veu influenciada fins i tot per canvis subtils en l'entorn de creixement. Una àrea que molts no consideren és el grafit que recobreix el reactor. Resisteix la prova de la calor intensa que es troba dins del reactor mentre suporta i posiciona l'oblea durant l'epitàxia. Si el grafit és impur o té una estructura irregular, es poden dipositar petits trossos de material o una reacció no desitjada durant el procés de creixement. Petits problemes a la superfície del grafit poden convertir-se en defectes importants de l'oblea, cosa que resulta en més feina i rendiments més baixos per als fabricants de xips. Així, l'estat i la neteja de la Susceptor de grafit és una qüestió més important del que la majoria pensa.

Com influeix la puresa del grafit en els problemes de partícules a les cambres d'epitàxia?

Les partícules són un defecte omnipresent de les oblies a les cambres d'epitàxia de SiC i sovint impliquen grafit en el procés. Les parts de grafit resideixen a la zona calenta del reactor de SiC, transportant l'oblia i influint en els contorns tèrmics. Amb l'ús de grafit menys pur, les traces d'impureses, com ara contaminants metàl·lics, cendres o residus residuals del procés, poden alliberar gasos del grafit lentament amb el temps durant el creixement a alta temperatura. Les impureses alliberades sovint no es poden detectar a la cambra, però finalment aterren a la superfície de l'oblia o passen a formar part de la fase gasosa. Per exemple, en una aplicació, una fàbrica va optar per un grafit de menor qualitat per estalviar costos. Tot i que inicialment no es van aparents problemes durant les tirades curtes, després de diversos cicles de... Epitaxia sic , es van observar forats aleatoris i taques rugoses a la superfície de la oblia. L'origen d'aquests defectes es va rastrejar a micropartícules emeses pel suport o susceptor de grafit. Les partícules entrarien a la cambra de creixement i actuarien com a llavors de manera no desitjada. La densitat desigual de la peça de grafit també contribuiria a la microesquerdació a la superfície de la peça en escalfar-la, cosa que provocaria la despreniment de partícules fines a la cambra amb el temps, tot i que la peça pot semblar neta. Per tant, el control de la font de grafit i el seu historial és una tasca rutinària a les fàbriques per evitar defectes relacionats amb les partícules. Generalment és desitjable un grafit d'alta puresa amb una quantitat controlada de cendres, especialment per a produccions a llarg termini. També es controla un recompte de cicles tèrmics de les peces, ja que els materials desprendran partícules fins i tot després de bons processaments inicials. A més, el mètode de manteniment de les peces de grafit influeix en els defectes. Per exemple, els procediments de neteja agressius danyarien la superfície del grafit i provocarien microesquerdes. El mètode preferit és un procés de neteja suau i controlat amb una mínima interacció física amb les peces de grafit. Per raons econòmiques, substituir les peces abans del previst podria ser millor que afrontar la pèrdua de rendiment en etapes posteriors. En poques paraules, el control de la generació de partícules en un procés típic d'epitàxia de SiC gira al voltant de petits detalls sobre la qualitat del material i les pràctiques de manipulació. La qüestió de la qualitat del grafit és el quid de la qüestió.

Requisits de materials per a peces i susceptors epitaxials de SiC d'alta gamma

Per a l'epitàxia de SiC, les peces del reactor són més que simplement "subjectar" l'oblea. Els susceptors, els portadors de grafit i els components de la zona calenta del reactor influeixen directament en el creixement del cristall. És per això que els materials són molt exigents i un petit defecte finalment es manifestarà com un defecte a l'oblea. Una alta estabilitat tèrmica és un requisit fonamental. Les peces s'escalfen a temperatures molt altes durant molt de temps (de vegades cicles repetitius d'escalfament/refredament). Un material que no pot mantenir l'estabilitat a aquestes temperatures es distorsionarà i finalment es pot esquerdar. Petits canvis en la geometria poden canviar significativament el flux de gas i la distribució de la calor, donant lloc a un creixement no uniforme del cristall a la superfície de l'oblea. La puresa és un altre factor crític. Els processos de SiC d'alta gamma requereixen un contingut de metall molt baix i un nivell de cendres molt baix en components basats en grafit. Durant el funcionament, els metalls traça es filtraran lentament de les peces, els contaminants es poden difondre a la cambra i provocar contaminació de partícules o defectes locals del cristall. En algunes fàbriques, s'ha rastrejat un error d'apilament aleatori a un sol lot de susceptor contaminat. L'estructura superficial és un requisit important. Una superfície llisa i uniforme ajudarà a reduir la despreniment de partícules durant el cicle d'escalfament/refredament. Una superfície no uniforme, o porus dins de l'estructura superficial, es descompondran contínuament durant el funcionament i, per tant, generaran una font constant de partícules a la cambra. La qualitat del recobriment també és un altre requisit essencial. Molts susceptors d'alta gamma utilitzen recobriment de SiC com a capa de protecció. El recobriment s'ha d'adherir bé al material base i ha de suportar un funcionament prolongat. Una mala unió i delaminació exposaran directament el grafit base a un entorn de reacció dur. Sovint veiem això en aplicacions reals: per exemple, una fàbrica de galetes que funciona per lots de producció llargs observarà que la taxa de defectes augmenta constantment després de centenars de cicles. La inspecció del susceptor revelarà un lleuger desgast del recobriment i erosió de les vores. Canviar o substituir el component retornarà la taxa de defectes a un nivell acceptable. L'elecció dels materials adequats no es tracta només del rendiment inicial dels components, sinó de l'estabilitat del material en cicles repetits.

Efectes de l'estructura del gra sobre l'estabilitat tèrmica en els sistemes AIXTRON G10

L'estructura del gra dels components de grafit dins d'un SiC d'alta temperatura Creixement per epitaxia Un sistema, com ara un AIXTRON G10, té un gran impacte en l'estabilitat tèrmica. Això es relaciona amb els canvis dimensionals, la retenció de la forma i la resposta als cicles tèrmics. El grafit no és un sòlid monolític. Consta de nombrosos cristal·lits o grans. Els cristal·lits individuals poden tenir orientacions diferents. Quan hi ha un control deficient de la mida del gra dins del component de grafit, sorgeix una distribució desigual de la calor. Les zones del component s'escalfen i es refreden a diferents velocitats. Això crea tensions internes a nivell micro. Lentament, amb el temps, aquesta tensió interna provoca deformacions o distorsions en peces com el susceptor o el portador de l'oblea. Aquest procés és fàcilment identificable durant la producció. Normalment apareix quan la línia d'oblees funciona a altes temperatures. La qualitat de l'oblea comença a variar després de centenars de cicles tèrmics. Les variacions de gruix augmenten i els defectes de vora comencen a aparèixer amb més regularitat. Un cop examinades aquestes peces, solen tenir signes de deformació o fatiga del material. Les estructures de gra fi amb una distribució controlada de cristal·lits tindran una estabilitat tèrmica molt millor que els grans gruixuts o les estructures aleatòries. Això donarà lloc a una transferència de calor més uniforme i a una reducció dels punts de tensió localitzats. Amb una estructura de gra adequada, les peces resistiran la deformació fins i tot durant centenars de cicles tèrmics. Les estructures gruixudes o les estructures de gra mal distribuïdes provoquen punts febles dins de la peça, permetent microesquerdes i l'eventual alliberament de partícules a la cambra. Una altra qüestió clau a tenir en compte és la resistència al xoc tèrmic. Hi ha punts on la peça experimenta un canvi de temperatura significatiu, com ara la càrrega al reactor o en retirar-la. Si hi ha límits febles entre els grans, es poden formar microesquerdes al llarg de les línies de gra. Tot i que això no sol provocar una fallada de la peça, permet que aquestes debilitats es formin al material, cosa que porta a futurs problemes de fiabilitat. La majoria de fàbriques fan un seguiment de la vida útil de les peces tant per les hores utilitzades com pel nombre de cicles tèrmics i el tractament tèrmic total. Les peces amb una estructura de gra ben dissenyada tenen una vida útil més llarga i resultats més consistents al llarg del temps.

Reducció de la contaminació metàl·lica en components de grafit d'alta puresa

Un dels problemes "invisibles" però crítics en qualsevol peça de grafit, inclòs en el procés d'epitàxia de SiC, és la contaminació metàl·lica. Fins i tot traces minúscules de metalls en una peça de grafit poden filtrar-se al procés i convertir-se en una font de defectes difícils de rastrejar en un reactor d'epitàxia de SiC com l'AIXTRON G10. Aquests metalls normalment provenen de les matèries primeres o dels diversos passos de processament implicats en la fabricació del component de grafit. Elements com el ferro, el níquel, el calci i el sodi són comuns i romanen atrapats a la major part del grafit a temperatura ambient, però, a la temperatura de procés elevada utilitzada en l'epitàxia de SiC, aquests elements poden tornar-se mòbils. Aquests metalls traça poden acabar desgasificant-se o migrant a la superfície durant cicles repetits d'escalfament/refredament a la zona calenta, és a dir, el susceptor o el mateix portador de l'oblea. Un cas típic seria així: una fàbrica inicia un lot de producció utilitzant noves peces de grafit. Les primeres oblies estan bé i no presenten defectes, però després d'un cert període, comencen a aparèixer petits defectes. Normalment són petits forats, falles aleatòries de pila o esdeveniments de partícules inexplicables. És fàcil sospitar erròniament un flux de gas incorrecte o un esdeveniment de contaminació durant la neteja de la cambra. Però una anàlisi detallada sovint condueix a l'alliberament lent de metalls traça dels components de grafit. Controlar la puresa del grafit és una de les claus. Per als components crítics, sempre es prefereix el grafit purificat a alta temperatura amb un baix contingut de cendres. Aquest pas de purificació elimina la majoria dels residus metàl·lics. Aquest grafit pot mantenir els elements atrapats durant més temps, fins i tot sota cicles repetits d'escalfament/refredament. La inspecció entrant de les peces de grafit també és molt important en algunes fàbriques. Provar els lots de grafit amb tècniques com ICP-OES o XRF pot evitar l'ús de peces contaminades. També pot evitar la barreja de peces de diferents fonts dins del mateix flux de procés. Els recobriments com el SiC o el TaC també ajuden a resoldre el problema actuant com a barrera entre la peça de grafit i l'entorn del procés. Sempre que el recobriment estigui ben dipositat i unit al substrat de grafit subjacent, reduirà la interacció de la peça de grafit amb l'entorn del procés. Finalment, però no menys important, hi ha la manipulació i l'emmagatzematge de les peces de grafit. Les peces de grafit es poden contaminar durant la manipulació amb guants, instruments bruts o si s'emmagatzemen en un prestatge brut. Aquesta contaminació superficial pot entrar al forn durant el cicle d'escalfament. Per reduir la contaminació metàl·lica de les peces de grafit, cal una suma de molts petits esforços. Es requereix un material d'alta puresa combinat amb bones pràctiques de manipulació i un control estricte del procés.

Per què els sistemes Veeco EPIK exigeixen materials de grafit de porositat ultrabaixa?

Les peces de grafit de la plataforma Veeco EPIK Systems se sotmeten a una de les condicions de procés més dures en la fabricació de semiconductors. Aquests components experimenten condicions d'alta temperatura, química de gasos agressius i cicles de procés llargs. Per tant, el grafit de porositat ultrabaixa és crític per mantenir la integritat i la neteja de l'epitàxia de SiC. La porositat es refereix als petits porus interns que existeixen dins del cos de grafit. Malgrat una superfície perfectament llisa, poden existir porus interns que atrapen gasos de procés, residus i química de neteja. Una alta porositat significa més volum intern per atrapar, on després d'una exposició a altes temperatures, el material es pot desgasificar lentament. Aquesta desgasificació no sempre és lineal i pot provocar explosions, cosa que dificulta el control del procés. En l'epitàxia de SiC, això és especialment perjudicial. Quan s'alliberen gasos del cos de grafit, es poden incorporar al flux de gas dins de la cambra d'epitàxia, contribuint a partícules no desitjades. Les partícules trobaran el seu camí cap a la superfície de l'oblia, impactant en el creixement del cristall i poden provocar defectes inesperats com ara forats aleatoris, desbast superficial o variacions locals en el gruix de l'oblia. Un escenari típic que es troba és en rampes de producció on una fàbrica neta rep noves peces de grafit per a un sistema EPIK. Els resultats inicials poden ser acceptables, però a mesura que els cicles tèrmics es repeteixen, les taxes de defectes poden augmentar gradualment i la inspecció del tren de procés, incloses les línies de gas, les vàlvules i les etapes del procés de neteja, pot no revelar res evident. Sovint es revela que el culpable és el grafit de baixa porositat dins de la zona d'alta temperatura. La selecció de grafit de porositat ultra baixa minimitza eficaçment aquest risc limitant els volums interns en què es poden amagar les espècies atrapades, minimitzant la probabilitat d'alliberaments sobtats de gas quan s'escalfa. També s'associa amb una millor integritat mecànica. L'estructura més densa del grafit de porositat ultra baixa normalment ofereix una major resistència a l'esquerdament a mesura que el grafit se sotmet a cicles tèrmics repetits. A més, les superfícies de baixa porositat promouen una millor integritat del recobriment. Quan el SiC o altres materials refractaris es recobreixen sobre aquestes superfícies de grafit, s'adhereixen bé a una superfície menys porosa. Això probablement es deu a una major intimitat de la unió entre el material recobert i el grafit, que al seu torn millora la durabilitat i la longevitat dels recobriments i el seu potencial per pelar-se o escamar-se. En definitiva, la selecció de grafit de porositat ultrabaixa en un escenari de fabricació diària, tot i que és una propietat del material, proporciona un benefici molt directe per aconseguir resultats d'oblies estables, nets i predictibles dins dels processos d'epitàxia de SiC d'alta gamma.