Por que o grafito de alta pureza é fundamental para o control de defectos de epitaxia de SiC

A calidade da oblea de carburo de silicio (SiC) producida vese influenciada mesmo por cambios sutís no ambiente de crecemento. Un aspecto que moitos non consideran é o grafito que reviste o reactor. Resiste a proba da intensa calor que se atopa dentro do reactor mentres soporta e posiciona a oblea durante a epitaxia. Se o grafito é impuro ou ten unha estrutura irregular, poden depositarse pequenos anacos de material ou unha reacción non desexada durante todo o proceso de crecemento. Os pequenos problemas na superficie do grafito poden derivar en defectos importantes na oblea, o que resulta en máis traballo e menores rendementos para os fabricantes de chips. Así, o estado e a limpeza do... Susceptor de grafito é unha cuestión máis importante do que a maioría pensa.

Como inflúe a pureza do grafito nos problemas de partículas nas cámaras de epitaxia?

As partículas son un defecto xeneralizado das obleas nas cámaras de epitaxia de SiC e, con frecuencia, inclúen grafito no proceso. As partes de grafito residen na zona quente do reactor de SiC, transportando a oblea e influíndo nos contornos térmicos. Co uso de grafito menos puro, as impurezas residuais, como contaminantes metálicos, cinzas ou residuos do proceso, poden liberarse lentamente do grafito co tempo durante o crecemento a alta temperatura. As impurezas liberadas adoitan ser indetectables na cámara, pero finalmente aterran na superficie da oblea ou pasan a formar parte da fase gasosa. Por exemplo, nunha aplicación, unha fábrica optou por un grafito de menor calidade para aforrar custos. Aínda que inicialmente non se observaron problemas durante as tiradas curtas, despois de varios ciclos de... Epitaxia sic , observáronse buratos aleatorios e manchas rugosas na superficie da oblea. A orixe destes defectos rastrexouse ata as micropartículas emitidas polo soporte ou susceptor de grafito. As partículas entrarían na cámara de crecemento e actuarían como sementes dun xeito indesexable. A densidade desigual da peza de grafito tamén contribuiría á formación de microfendas na superficie da peza ao quentala, o que levaría á liberación de partículas finas na cámara co paso do tempo, mesmo que a peza poida parecer limpa. Polo tanto, a monitorización da fonte de grafito e o seu historial é unha tarefa rutineira nas fábricas para evitar defectos relacionados coas partículas. Xeralmente é desexable un grafito de alta pureza cunha cantidade controlada de cinzas, especialmente para producións a longo prazo. Tamén se monitoriza unha conta dos ciclos térmicos das pezas, xa que os materiais liberarán partículas mesmo despois de bos procesamentos iniciais. Ademais, o método de mantemento das pezas de grafito inflúe nos defectos. Por exemplo, os procedementos de limpeza agresivos danarían a superficie do grafito e provocarían microfendas. O método preferido é un proceso de limpeza suave e controlado cunha mínima interacción física coas pezas de grafito. Por razóns económicas, substituír as pezas antes do previsto podería ser mellor que xestionar a perda de rendemento en etapas posteriores. En resumo, o control da xeración de partículas nun proceso típico de epitaxia de SiC xira arredor de pequenos detalles sobre a calidade do material e as prácticas de manipulación. A cuestión da calidade do grafito é o quid da cuestión.

Requisitos de materiais para pezas e susceptores epitaxiais de SiC de alta gama

Para a epitaxia de SiC, as pezas do reactor son máis que só para "soster" a oblea. Os susceptores, os portadores de grafito e os compoñentes da zona quente do reactor inflúen directamente no crecemento do cristal. É por iso que os materiais son moi esixentes e un pequeno defecto acabará manifestándose como un defecto na oblea. Unha alta estabilidade térmica é un requisito fundamental. As pezas quéntanse a temperaturas moi altas durante moito tempo (ás veces ciclos repetitivos de quecemento/arrefriamento). Un material que non pode manter a estabilidade a estas temperaturas distorsionarase e pode acabar rachándose. Pequenos cambios na xeometría poden cambiar significativamente o fluxo de gas e a distribución da calor, o que resulta nun crecemento cristalino non uniforme na superficie da oblea. A pureza é outro factor crítico. Os procesos de SiC de alta gama requiren un contido de metal moi baixo e un nivel de cinza moi baixo nos compoñentes a base de grafito. Durante o funcionamento, os metais traza lixiviaranse lentamente das pezas, os contaminantes poden difundirse na cámara e provocar contaminación por partículas ou defectos locais do cristal. Nalgunhas fábricas, o fallo de apilamento aleatorio foi atribuído a un único lote de susceptor contaminado. A estrutura superficial é un requisito importante. Unha superficie lisa e uniforme axudará a reducir a desprendemento de partículas durante o ciclo de quecemento/arrefriamento. Unha superficie non uniforme, ou poros dentro da estrutura da superficie, romperanse continuamente durante o funcionamento e, polo tanto, xerarán unha fonte constante de partículas na cámara. A calidade do revestimento tamén é outro requisito esencial. Moitos susceptores de gama alta usan o revestimento de SiC como capa protectora. O revestimento debe adherirse ben ao material base e debe soportar un funcionamento prolongado. Unha mala unión e delaminación expoñerán directamente o grafito base ao ambiente de reacción agresivo. A miúdo vemos isto en aplicacións reais: por exemplo, unha fábrica de obleas que funciona con lotes de produción longos observará que a taxa de defectos aumenta constantemente despois de centos de ciclos. A inspección do susceptor revelará un lixeiro desgaste do revestimento e erosión dos bordos. Cambiar ou substituír o compoñente devolverá a taxa de defectos a un nivel aceptable. A elección dos materiais axeitados non se trata só do rendemento inicial dos compoñentes, senón da estabilidade do material en ciclos repetidos.

Efectos da estrutura do gran na estabilidade térmica nos sistemas AIXTRON G10

A estrutura granular dos compoñentes de grafito dentro dun SiC de alta temperatura Crecemento por epitaxia Un sistema, como un AIXTRON G10, ten un grande impacto na estabilidade térmica. Isto relaciónase cos cambios dimensionais, a retención da forma e a resposta aos ciclos térmicos. O grafito non é un sólido monolítico. Consta de numerosos cristalitos ou grans. Os cristalitos individuais poden ter diferentes orientacións. Cando hai un control deficiente do tamaño do gran dentro do compoñente de grafito, xorde unha distribución desigual da calor. As áreas do compoñente quéntanse e arrefríanse a diferentes velocidades. Isto crea tensión interna a nivel micro. Lentamente, co tempo, esta tensión interna provoca deformación ou distorsión en pezas como o susceptor ou o portador de obleas. Este proceso é facilmente identificable durante a produción. Normalmente aparece cando a liña de obleas funciona a altas temperaturas. A calidade da oblea comeza a variar despois de centos de ciclos térmicos. As variacións no grosor aumentan e os defectos de bordo comezan a xurdir con máis regularidade. Unha vez que se examinan estas pezas, adoitan ter signos de deformación ou fatiga do material. As estruturas de gran fino cunha distribución controlada de cristalitos terán unha estabilidade térmica moito mellor que os grans grosos ou as estruturas aleatorias. Isto resultará nunha transferencia de calor máis uniforme e nunha redución dos puntos de tensión localizados. Cunha estrutura de gran axeitada, as pezas resistirán a deformación mesmo durante centos de ciclos térmicos. As estruturas grosas ou as estruturas de gran mal distribuídas provocan puntos débiles dentro da peza, o que permite a formación de microfissuras e a eventual liberación de partículas na cámara. Outro aspecto clave a ter en conta é a resistencia ao choque térmico. Hai puntos nos que a peza sofre un cambio de temperatura significativo, como a carga no reactor ou a retirada. Se hai límites débiles entre os grans, poden formarse microfissuras ao longo das liñas de gran. Aínda que isto non adoita provocar a falla da peza, permite que estas debilidades se formen no material, o que leva a problemas de fiabilidade futuros. A maioría das fábricas rastrexan a vida útil das pezas tanto polas horas de uso como polo número de ciclos térmicos e o tratamento térmico total. As pezas cunha estrutura de gran ben deseñada teñen unha vida útil máis longa e resultados máis consistentes ao longo do tempo.

Redución da contaminación metálica en compoñentes de grafito de alta pureza

Un dos problemas "invisibles" pero críticos en calquera peza de grafito, incluído no proceso de epitaxia de SiC, é a contaminación metálica. Mesmo trazas diminutas de metais nunha peza de grafito poden filtrarse no proceso e converterse nunha fonte de defectos difíciles de rastrexar nun reactor de epitaxia de SiC como o AIXTRON G10. Estes metais normalmente proceden das materias primas ou dos diversos pasos de procesamento implicados na fabricación do compoñente de grafito. Elementos como o ferro, o níquel, o calcio e o sodio son comúns e permanecen atrapados na maior parte do grafito á temperatura ambiente; con todo, á temperatura de proceso elevada utilizada na epitaxia de SiC, estes elementos poden volverse móbiles. Estes metais traza poden finalmente ser desgasificados ou migrar á superficie durante ciclos repetidos de quecemento/arrefriamento na zona quente, é dicir, o susceptor ou o propio portador de obleas. Un caso típico sería este: unha fábrica comeza un lote de produción utilizando novas pezas de grafito. As primeiras obleas están ben e non presentan defectos, pero despois dun certo período, comezan a aparecer pequenos defectos. Adoitan ser pequenos pozos, fallos aleatorios de apilamento ou eventos de partículas inexplicables. É doado sospeitar erroneamente que hai un fluxo de gas incorrecto ou un evento de contaminación durante a limpeza da cámara. Pero unha análise detallada a miúdo leva á lenta liberación de metais traza dos compoñentes de grafito. Controlar a pureza do grafito é unha das claves. Para os compoñentes críticos, sempre se prefire o grafito purificado a alta temperatura cun baixo contido de cinzas. Este paso de purificación elimina a maior parte dos residuos metálicos. Este grafito pode manter os elementos atrapados durante máis tempo mesmo en ciclos repetidos de quecemento/arrefriamento. A inspección de entrada das pezas de grafito tamén é moi importante nalgunhas fábricas. Probar os lotes de grafito con técnicas como ICP-OES ou XRF pode evitar o uso de pezas contaminadas. Tamén pode evitar a mestura de pezas de diferentes fontes dentro do mesmo fluxo de proceso. Os revestimentos como SiC ou TaC tamén axudan a resolver o problema actuando como unha barreira entre a peza de grafito e o ambiente do proceso. Sempre que o revestimento estea ben depositado e unido ao substrato de grafito subxacente, reducirá a interacción da peza de grafito co ambiente do proceso. Por último, pero non menos importante, está a manipulación e o almacenamento das pezas de grafito. As pezas de grafito poden contaminarse durante a manipulación con luvas sucias, instrumentos ou ao almacenarse nun andel limpo. Esta contaminación superficial pode entrar no forno durante o ciclo de quecemento. Para reducir a contaminación metálica das pezas de grafito, é preciso sumalos moitos pequenos esforzos. É necesario un material de alta pureza combinado con boas prácticas de manipulación e un control rigoroso do proceso.

Por que os sistemas Veeco EPIK esixen materiais de grafito de porosidade ultrabaxa?

As pezas de grafito da plataforma Veeco EPIK Systems sofren unhas das condicións de proceso máis duras na fabricación de semicondutores. Estes compoñentes experimentan condicións de alta temperatura, química de gases agresiva e longos ciclos de proceso. Polo tanto, o grafito de porosidade ultrabaxa é fundamental para manter a integridade e a limpeza da epitaxia de SiC. A porosidade refírese aos pequenos poros internos que existen dentro do propio corpo de grafito. A pesar dunha superficie perfectamente lisa, poden existir poros internos que atrapan gases de proceso, residuos e química de limpeza. Unha alta porosidade significa un maior volume interno para a captura, onde despois da exposición a altas temperaturas, o material pode desgasificarse lentamente. Esta desgasificación non sempre é lineal e pode levar a estouras, o que dificulta o control do proceso. Na epitaxia de SiC, isto é especialmente prexudicial. Cando se liberan gases do corpo de grafito, poden incorporarse ao fluxo de gas dentro da cámara de epitaxia, contribuíndo á formación de partículas non desexadas. As partículas chegarán á superficie da oblea, o que afectará ao crecemento do cristal e pode provocar defectos inesperados, como pozos aleatorios, rugosidade superficial ou variacións locais no grosor da oblea. Un escenario típico que se atopa son as ramplas de produción onde unha fábrica limpa recibe novas pezas de grafito para un sistema EPIK. Os resultados iniciais poden ser aceptables; non obstante, a medida que os ciclos térmicos se repiten, as taxas de defectos poden aumentar gradualmente e a inspección do tren de procesos, incluíndo as liñas de gas, as válvulas e as etapas do proceso de limpeza, pode non revelar nada obvio. A miúdo revélase que o culpable é o grafito de baixa porosidade dentro da zona de alta temperatura. A selección de grafito de porosidade ultrabaxa minimiza eficazmente este risco ao limitar os volumes internos nos que se poden ocultar as especies atrapadas, o que minimiza a probabilidade de liberacións repentinas de gas ao quentarse. Tamén se asocia cunha mellor integridade mecánica. A estrutura máis densa do grafito de porosidade ultrabaxa normalmente ofrece unha maior resistencia ao agrietamento a medida que o grafito sofre ciclos térmicos repetidos. Ademais, as superficies de baixa porosidade promoven unha mellor integridade do revestimento. Cando o SiC ou outros materiais refractarios se recubren sobre estas superficies de grafito, adhírense ben a unha superficie menos porosa. Isto probablemente se deba a unha maior intimidade da unión entre o material revestido e o grafito, o que á súa vez mellora a durabilidade e a lonxevidade dos revestimentos e o seu potencial para descascarillarse ou descascarillarse. En definitiva, a selección de grafito de porosidade ultrabaxa nun escenario de fabricación diaria, aínda que é unha propiedade do material, proporciona un beneficio moi directo para lograr resultados de obleas estables, limpos e predicibles dentro dos procesos de epitaxia de SiC de alta gama.