Γιατί ο γραφίτης υψηλής καθαρότητας είναι κρίσιμος για τον έλεγχο ελαττωμάτων επιταξίας SiC

Η ποιότητα της πλακέτας καρβιδίου του πυριτίου (SiC) που παράγεται επηρεάζεται ακόμη και από ανεπαίσθητες αλλαγές στο περιβάλλον ανάπτυξης. Ένας τομέας που πολλοί δεν λαμβάνουν υπόψη είναι ο γραφίτης που καλύπτει τον αντιδραστήρα. Αντέχει στη δοκιμασία της έντονης θερμότητας που υπάρχει στο εσωτερικό του αντιδραστήρα ενώ στηρίζει και τοποθετεί την πλακέτα κατά την επιταξία. Εάν ο γραφίτης είναι ακάθαρτος ή έχει ακανόνιστη δομή, μικρά κομμάτια υλικού ή μια ανεπιθύμητη αντίδραση μπορούν να εναποτεθούν καθ' όλη τη διάρκεια της διαδικασίας ανάπτυξης. Μικρά προβλήματα στην επιφάνεια του γραφίτη μπορούν να εξελιχθούν σε σημαντικά ελαττώματα της πλακέτας, με αποτέλεσμα περισσότερη εργασία και χαμηλότερες αποδόσεις για τους κατασκευαστές τσιπ. Έτσι, η κατάσταση και η καθαριότητα του... Δέκτης γραφίτη είναι ένα πιο σημαντικό ζήτημα από ό,τι θα υπέθεταν οι περισσότεροι.

Πώς επηρεάζει η καθαρότητα του γραφίτη τα προβλήματα σωματιδίων στους θαλάμους επιταξίας;

Τα σωματίδια αποτελούν ένα διάχυτο ελάττωμα των πλακιδίων στους θαλάμους επιταξίας SiC και συχνά εμπλέκουν γραφίτη στη διαδικασία. Τα μέρη γραφίτη βρίσκονται στη θερμή ζώνη του αντιδραστήρα SiC, μεταφέροντας το πλακίδιο και επηρεάζοντας τα θερμικά περιγράμματα. Με τη χρήση λιγότερο καθαρού γραφίτη, ίχνη ακαθαρσιών, όπως μεταλλικοί ρύποι, τέφρα ή υπολείμματα διεργασίας, μπορούν να αποβάλλουν αργά τον γραφίτη με την πάροδο του χρόνου κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης σε υψηλή θερμοκρασία. Οι ακαθαρσίες που αποβάλλονται είναι συχνά μη ανιχνεύσιμες στον θάλαμο, αλλά τελικά προσγειώνονται στην επιφάνεια του πλακιδίου ή γίνονται μέρος της αέριας φάσης. Για παράδειγμα, σε μια εφαρμογή, ένα εργοστάσιο επέλεξε γραφίτη χαμηλότερης ποιότητας για εξοικονόμηση κόστους. Αν και αρχικά δεν υπήρχαν εμφανή προβλήματα κατά τη διάρκεια σύντομων λειτουργιών, μετά από αρκετούς κύκλους... επιταξία sic , παρατηρήθηκαν τυχαίες οπές και τραχιές κηλίδες στην επιφάνεια του πλακιδίου. Η πηγή τέτοιων ελαττωμάτων εντοπίστηκε σε μικροσωματίδια που εκπέμπονται από τη θήκη ή το υποδοχέα γραφίτη. Τα σωματίδια θα εισέρχονταν στον θάλαμο ανάπτυξης και θα λειτουργούσαν ως σπόροι με ανεπιθύμητο τρόπο. Η ανομοιόμορφη πυκνότητα του τμήματος γραφίτη θα συνέβαλε επίσης στη δημιουργία μικρορωγμών στην επιφάνεια του τμήματος κατά τη θέρμανση, οδηγώντας στην αποβολή λεπτών σωματιδίων στον θάλαμο με την πάροδο του χρόνου, παρόλο που το τμήμα μπορεί να φαίνεται καθαρό. Έτσι, η παρακολούθηση της πηγής του γραφίτη και του ιστορικού του είναι μια συνήθης εργασία στα εργοστάσια για την αποφυγή ελαττωμάτων που σχετίζονται με τα σωματίδια. Ένας γραφίτης υψηλής καθαρότητας με ελεγχόμενη ποσότητα τέφρας είναι γενικά επιθυμητός, ειδικά για μακροχρόνιες παραγωγές. Παρακολουθείται επίσης η μέτρηση των θερμικών κύκλων των εξαρτημάτων, καθώς τα υλικά θα αποβάλλουν σωματίδια ακόμη και μετά από καλές αρχικές επεξεργασίες. Επίσης, η μέθοδος συντήρησης για τα εξαρτήματα γραφίτη επηρεάζει τα ελαττώματα. Για παράδειγμα, οι επιθετικές διαδικασίες καθαρισμού θα κατέστρεφαν την επιφάνεια του γραφίτη και θα οδηγούσαν σε μικρορωγμές. Η προτιμώμενη μέθοδος είναι μια ήπια, ελεγχόμενη διαδικασία καθαρισμού με ελάχιστη φυσική αλληλεπίδραση με τα μέρη γραφίτη. Για οικονομικούς λόγους, η αντικατάσταση των εξαρτημάτων νωρίτερα από το αναμενόμενο μπορεί να είναι καλύτερη από την αντιμετώπιση της απώλειας απόδοσης σε μεταγενέστερα στάδια. Με λίγα λόγια, ο έλεγχος της παραγωγής σωματιδίων σε μια τυπική διαδικασία επιταξίας SiC περιστρέφεται γύρω από μικρές λεπτομέρειες σχετικά με την ποιότητα του υλικού και τις πρακτικές χειρισμού. Το ζήτημα της ποιότητας του γραφίτη βρίσκεται στην καρδιά του ζητήματος.

Απαιτήσεις υλικών για επιταξιακά εξαρτήματα και υποδοχείς SiC υψηλής ποιότητας

Για την επιταξία SiC, τα μέρη στον αντιδραστήρα χρησιμεύουν περισσότερο από το να «κρατούν» απλώς την πλακέτα. Οι υποδοχείς, οι φορείς γραφίτη και τα εξαρτήματα θερμής ζώνης στον αντιδραστήρα επηρεάζουν άμεσα την ανάπτυξη των κρυστάλλων. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τα υλικά είναι πολύ απαιτητικά και ένα μικρό ελάττωμα τελικά θα εκδηλωθεί ως ελάττωμα στην πλακέτα. Η υψηλή θερμική σταθερότητα είναι μια θεμελιώδης απαίτηση. Τα μέρη θερμαίνονται σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες για μεγάλο χρονικό διάστημα (μερικές φορές επαναλαμβανόμενοι κύκλοι θέρμανσης/ψύξης). Ένα υλικό που δεν μπορεί να διατηρήσει σταθερότητα σε αυτές τις θερμοκρασίες θα παραμορφωθεί και μπορεί τελικά να ραγίσει. Μικρές αλλαγές στη γεωμετρία μπορούν να αλλάξουν σημαντικά τη ροή αερίου και την κατανομή θερμότητας, με αποτέλεσμα την ανομοιόμορφη ανάπτυξη κρυστάλλων στην επιφάνεια της πλακέτας. Η καθαρότητα είναι ένας άλλος κρίσιμος παράγοντας. Οι διεργασίες SiC υψηλής ποιότητας απαιτούν πολύ χαμηλή περιεκτικότητα σε μέταλλα και πολύ χαμηλό επίπεδο τέφρας στα εξαρτήματα με βάση τον γραφίτη. Κατά τη λειτουργία, τα ιχνοστοιχεία θα εκπλυθούν αργά από τα μέρη, οι ρύποι μπορούν να διαχυθούν στον θάλαμο και να οδηγήσουν σε μόλυνση σωματιδίων ή τοπικά κρυσταλλικά ελαττώματα. Σε ορισμένα εργοστάσια, τυχαίο σφάλμα στοίβαξης έχει εντοπιστεί σε μία μόνο παρτίδα μολυσμένου υποδοχέα. Η δομή της επιφάνειας είναι μια σημαντική απαίτηση. Μια λεία και ομοιόμορφη επιφάνεια θα βοηθήσει στη μείωση της αποβολής σωματιδίων κατά τη διάρκεια του κύκλου θέρμανσης/ψύξης. Μια μη ομοιόμορφη επιφάνεια, ή πόροι μέσα στη δομή της επιφάνειας, θα διασπώνται συνεχώς κατά τη λειτουργία και έτσι θα δημιουργούν μια σταθερή πηγή σωματιδίων στον θάλαμο. Η ποιότητα της επίστρωσης είναι επίσης μια άλλη βασική απαίτηση. Πολλοί ευαίσθητοι υαλοπίνακες υψηλής ποιότητας χρησιμοποιούν επίστρωση SiC ως προστατευτικό στρώμα. Η επίστρωση πρέπει να προσκολλάται καλά στο βασικό υλικό και να αντέχει σε παρατεταμένη λειτουργία. Η κακή συγκόλληση και η αποκόλληση θα εκθέσουν άμεσα τον βασικό γραφίτη στο σκληρό περιβάλλον αντίδρασης. Συχνά το βλέπουμε αυτό σε πραγματικές εφαρμογές: για παράδειγμα, ένα εργοστάσιο πλακιδίων που λειτουργεί για μεγάλη παρτίδα παραγωγής θα παρατηρήσει ότι ο ρυθμός ελαττωμάτων αυξάνεται σταθερά μετά από εκατοντάδες κύκλους. Η επιθεώρηση του ευαίσθητου υαλοπίνακα θα αποκαλύψει μια μικρή φθορά της επίστρωσης και διάβρωση των άκρων. Η αλλαγή ή η αντικατάσταση του εξαρτήματος θα επαναφέρει τον ρυθμό ελαττωμάτων σε ένα αποδεκτό επίπεδο. Η επιλογή των σωστών υλικών δεν αφορά μόνο την αρχική απόδοση των εξαρτημάτων, αλλά και τη σταθερότητα του υλικού σε επαναλαμβανόμενους κύκλους.

Επιδράσεις της δομής των κόκκων στη θερμική σταθερότητα σε συστήματα AIXTRON G10

Η δομή των κόκκων των συστατικών γραφίτη μέσα σε ένα SiC υψηλής θερμοκρασίας Επιταξιακή ανάπτυξη Ένα σύστημα, όπως το AIXTRON G10, επηρεάζει σημαντικά τη θερμική σταθερότητα. Αυτό σχετίζεται με τις διαστατικές αλλαγές, τη διατήρηση του σχήματος και την απόκριση στον θερμικό κύκλο. Ο γραφίτης δεν είναι μονολιθικό στερεό. Αποτελείται από πολυάριθμους κρυσταλλίτες ή κόκκους. Οι μεμονωμένοι κρυσταλλίτες μπορεί να έχουν διαφορετικούς προσανατολισμούς. Όταν υπάρχει κακός έλεγχος του μεγέθους των κόκκων μέσα στο συστατικό του γραφίτη, προκύπτει ανομοιόμορφη κατανομή θερμότητας. Περιοχές του συστατικού θερμαίνονται και ψύχονται με διαφορετικούς ρυθμούς. Αυτό δημιουργεί εσωτερική τάση σε μικροεπίπεδο. Σταδιακά με την πάροδο του χρόνου, αυτή η εσωτερική τάση προκαλεί στρέβλωση ή παραμόρφωση σε μέρη όπως ο υποδοχέας ή ο φορέας πλακιδίων. Αυτή η διαδικασία είναι εύκολα αναγνωρίσιμη κατά την παραγωγή. Συνήθως εμφανίζεται όταν η γραμμή πλακιδίων λειτουργεί σε υψηλές θερμοκρασίες. Η ποιότητα των πλακιδίων αρχίζει να μεταβάλλεται μετά από εκατοντάδες θερμικούς κύκλους. Οι διακυμάνσεις στο πάχος αυξάνονται και τα ελαττώματα στις άκρες αρχίζουν να εμφανίζονται πιο τακτικά. Μόλις εξεταστούν αυτά τα μέρη, συνήθως έχουν σημάδια στρέβλωσης ή κόπωσης υλικού. Οι δομές λεπτών κόκκων με ελεγχόμενη κατανομή κρυσταλλιτών θα έχουν πολύ καλύτερη θερμική σταθερότητα από τους χονδρόκοκκους ή τις τυχαίες δομές. Αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα πιο ομοιόμορφη μεταφορά θερμότητας και μειωμένα σημεία τοπικής τάσης. Με μια σωστή δομή κόκκων, τα εξαρτήματα θα αντιστέκονται στη στρέβλωση ακόμη και μετά από εκατοντάδες θερμικούς κύκλους. Οι χονδροειδείς δομές ή οι κακώς κατανεμημένες δομές κόκκων έχουν ως αποτέλεσμα αδύναμα σημεία μέσα στο εξάρτημα, επιτρέποντας μικρορωγμές και τελικά απελευθέρωση σωματιδίων στον θάλαμο. Ένα άλλο βασικό ζήτημα που πρέπει να ληφθεί υπόψη είναι η αντοχή στο θερμικό σοκ. Υπάρχουν σημεία όπου το εξάρτημα υφίσταται σημαντική αλλαγή θερμοκρασίας, όπως κατά τη φόρτωση στον αντιδραστήρα ή κατά την αφαίρεση. Εάν υπάρχουν αδύναμα όρια μεταξύ των κόκκων, τότε ενδέχεται να σχηματιστούν μικρορωγμές κατά μήκος των γραμμών των κόκκων. Ενώ αυτό συνήθως δεν οδηγεί σε αστοχία του εξαρτήματος, επιτρέπει τον σχηματισμό αυτών των αδυναμιών στο υλικό, οδηγώντας σε μελλοντικά προβλήματα αξιοπιστίας. Τα περισσότερα εργοστάσια παρακολουθούν τη διάρκεια ζωής του εξαρτήματος τόσο με βάση τις ώρες που χρησιμοποιούνται όσο και με τον αριθμό των θερμικών κύκλων και τη συνολική θερμική επεξεργασία. Τα εξαρτήματα με καλά σχεδιασμένη δομή κόκκων έχουν μεγαλύτερη διάρκεια ζωής και πιο συνεπή αποτελέσματα με την πάροδο του χρόνου.

Μείωση της μεταλλικής μόλυνσης σε εξαρτήματα γραφίτη υψηλής καθαρότητας

Ένα από τα «αόρατα» αλλά κρίσιμα προβλήματα σε οποιοδήποτε εξάρτημα γραφίτη, συμπεριλαμβανομένης της διαδικασίας επιταξίας SiC, είναι η μεταλλική μόλυνση. Ακόμα και μικροσκοπικά ίχνη μετάλλων σε ένα εξάρτημα γραφίτη μπορούν να διαρρεύσουν στη διαδικασία και να γίνουν πηγή δύσκολα εντοπισμένων ελαττωμάτων σε έναν αντιδραστήρα επιταξίας SiC όπως το AIXTRON G10. Τέτοια μέταλλα προέρχονται συνήθως από τις πρώτες ύλες ή τα διάφορα στάδια επεξεργασίας που εμπλέκονται στην κατασκευή του εξαρτήματος γραφίτη. Στοιχεία όπως ο σίδηρος, το νικέλιο, το ασβέστιο και το νάτριο είναι συνηθισμένα και παραμένουν παγιδευμένα στο μεγαλύτερο μέρος του γραφίτη σε θερμοκρασία δωματίου, ωστόσο, στην αυξημένη θερμοκρασία διεργασίας που χρησιμοποιείται στην επιταξία SiC, αυτά τα στοιχεία μπορεί να γίνουν κινητά. Αυτά τα ιχνοστοιχεία μπορούν τελικά να αποβληθούν ή να μεταναστεύσουν στην επιφάνεια κατά τη διάρκεια επαναλαμβανόμενων κύκλων θέρμανσης/ψύξης στη θερμή ζώνη, δηλαδή στον υποδοχέα ή στον ίδιο τον φορέα πλακιδίων. Μια τυπική περίπτωση θα ήταν ως εξής: ένα εργοστάσιο ξεκινά μια παρτίδα παραγωγής χρησιμοποιώντας νέα εξαρτήματα γραφίτη. Τα πρώτα πλακίδια είναι εντάξει και δεν παρουσιάζουν ελαττώματα, αλλά μετά από ένα ορισμένο χρονικό διάστημα, αρχίζουν να εμφανίζονται μικρά ελαττώματα. Συνήθως είναι μικροσκοπικές κοιλότητες, τυχαία σφάλματα στοίβας ή ανεξήγητα συμβάντα σωματιδίων. Είναι εύκολο να υποψιαστεί κανείς λανθασμένα μια λανθασμένη ροή αερίου ή ένα συμβάν μόλυνσης κατά τον καθαρισμό του θαλάμου. Ωστόσο, η λεπτομερής ανάλυση συχνά οδηγεί στην αργή απελευθέρωση ιχνοστοιχείων μετάλλων από τα εξαρτήματα γραφίτη. Ο έλεγχος της καθαρότητας του γραφίτη είναι ένα από τα κλειδιά. Για τα κρίσιμα εξαρτήματα, προτιμάται πάντα ο γραφίτης που έχει καθαριστεί σε υψηλή θερμοκρασία με χαμηλή περιεκτικότητα σε τέφρα. Αυτό το βήμα καθαρισμού απομακρύνει την πλειονότητα των μεταλλικών υπολειμμάτων. Αυτός ο γραφίτης μπορεί να κρατήσει τα στοιχεία παγιδευμένα για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα ακόμη και υπό επαναλαμβανόμενους κύκλους θέρμανσης/ψύξης. Η εισερχόμενη επιθεώρηση των εξαρτημάτων γραφίτη είναι επίσης πολύ σημαντική σε ορισμένα εργοστάσια. Η δοκιμή των παρτίδων γραφίτη με τεχνικές όπως το ICP-OES ή το XRF μπορεί να αποτρέψει τη χρήση μολυσμένων εξαρτημάτων. Μπορεί επίσης να αποτρέψει την ανάμειξη εξαρτημάτων από διαφορετικές πηγές εντός της ίδιας ροής διεργασίας. Επιστρώσεις όπως το SiC ή το TaC βοηθούν επίσης στην επίλυση του προβλήματος λειτουργώντας ως φράγμα μεταξύ του εξαρτήματος γραφίτη και του περιβάλλοντος διεργασίας. Εφόσον η επίστρωση είναι καλά εναποτιθέμενη και συνδεδεμένη με το υποκείμενο υπόστρωμα γραφίτη, θα μειώσει την αλληλεπίδραση του εξαρτήματος γραφίτη με το περιβάλλον διεργασίας. Τελευταίο αλλά εξίσου σημαντικό είναι ο χειρισμός και η αποθήκευση των εξαρτημάτων γραφίτη. Τα εξαρτήματα γραφίτη μπορούν να μολυνθούν κατά τον χειρισμό με βρώμικα γάντια, εργαλεία ή επειδή αποθηκεύονται σε ένα ακάθαρτο ράφι. Αυτή η επιφανειακή μόλυνση μπορεί στη συνέχεια να εισέλθει στον κλίβανο κατά τη διάρκεια του κύκλου θέρμανσης. Για τη μείωση της μεταλλικής μόλυνσης των γραφιτικών εξαρτημάτων, απαιτείται η χρήση πολλών μικρών προσπαθειών. Απαιτείται υλικό υψηλής καθαρότητας σε συνδυασμό με ορθές πρακτικές χειρισμού και αυστηρό έλεγχο της διαδικασίας.

Γιατί τα συστήματα Veeco EPIK απαιτούν υλικά γραφίτη εξαιρετικά χαμηλού πορώδους;

Τα εξαρτήματα γραφίτη στην πλατφόρμα Veeco EPIK Systems υφίστανται μία από τις πιο σκληρές συνθήκες επεξεργασίας στην κατασκευή ημιαγωγών. Αυτά τα εξαρτήματα αντιμετωπίζουν συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας, επιθετικής χημείας αερίων και μακρών κύκλων επεξεργασίας. Ο γραφίτης εξαιρετικά χαμηλού πορώδους είναι επομένως κρίσιμος για τη διατήρηση της ακεραιότητας και της καθαριότητας της επιταξίας SiC. Το πορώδες αναφέρεται στους μικρούς, εσωτερικούς πόρους που υπάρχουν μέσα στο ίδιο το σώμα γραφίτη. Παρά την τέλεια λεία επιφάνεια, μπορεί να υπάρχουν εσωτερικοί πόροι που παγιδεύουν αέρια επεξεργασίας, υπολείμματα και χημεία καθαρισμού. Το υψηλό πορώδες σημαίνει μεγαλύτερο εσωτερικό όγκο για παγίδευση, όπου μετά από έκθεση σε υψηλή θερμοκρασία, το υλικό μπορεί να απαερωθεί αργά. Αυτή η απαερίωση δεν είναι πάντα γραμμική και μπορεί να οδηγήσει σε εκρήξεις, καθιστώντας δύσκολη την παρακολούθηση της διαδικασίας. Στην επιταξία SiC, αυτό είναι ιδιαίτερα επιζήμιο. Όταν απελευθερώνονται αέρια από το σώμα γραφίτη, μπορούν να ενσωματωθούν στη ροή αερίου μέσα στον θάλαμο επιταξίας, συμβάλλοντας στα ανεπιθύμητα σωματίδια. Τα σωματίδια θα βρουν τον δρόμο τους προς την επιφάνεια της πλακέτας, επηρεάζοντας την ανάπτυξη των κρυστάλλων και μπορούν να οδηγήσουν σε απροσδόκητα ελαττώματα όπως τυχαίες κοιλότητες, τραχύτητα επιφάνειας ή τοπικές διακυμάνσεις στο πάχος της πλακέτας. Ένα τυπικό σενάριο που συναντάται είναι στις ράμπες παραγωγής όπου ένα καθαρό εργοστάσιο λαμβάνει νέα εξαρτήματα γραφίτη για ένα σύστημα EPIK. Τα αρχικά αποτελέσματα μπορεί να είναι αποδεκτά, ωστόσο, καθώς οι θερμικοί κύκλοι επαναλαμβάνονται, τα ποσοστά ελαττωμάτων μπορεί να αυξηθούν και η επιθεώρηση της διαδικασίας, συμπεριλαμβανομένων των γραμμών αερίου, των βαλβίδων και των σταδίων της διαδικασίας καθαρισμού, μπορεί να μην αποκαλύψει τίποτα προφανές. Συχνά αποκαλύπτεται ότι ο ένοχος είναι ο γραφίτης χαμηλού πορώδους εντός της ζώνης υψηλής θερμοκρασίας. Η επιλογή γραφίτη εξαιρετικά χαμηλού πορώδους ελαχιστοποιεί αποτελεσματικά αυτόν τον κίνδυνο περιορίζοντας τους εσωτερικούς όγκους στους οποίους μπορούν να κρυφτούν τα παγιδευμένα είδη, ελαχιστοποιώντας την πιθανότητα αιφνίδιων απελευθερώσεων αερίων κατά τη θέρμανση. Συνδέεται επίσης με καλύτερη μηχανική ακεραιότητα. Η πυκνότερη δομή του γραφίτη εξαιρετικά χαμηλού πορώδους συνήθως προσφέρει αυξημένη αντοχή στη ρωγμάτωση καθώς ο γραφίτης υφίσταται επαναλαμβανόμενους θερμικούς κύκλους. Επιπλέον, οι επιφάνειες χαμηλού πορώδους προάγουν την ενισχυμένη ακεραιότητα της επικάλυψης. Όταν το SiC ή άλλα πυρίμαχα υλικά επικαλύπτονται σε αυτές τις επιφάνειες γραφίτη, προσκολλώνται καλά σε μια λιγότερο πορώδη επιφάνεια. Αυτό πιθανότατα οφείλεται στην αυξημένη στενότητα της σύνδεσης μεταξύ του επικαλυμμένου υλικού και του γραφίτη, η οποία με τη σειρά της ενισχύει την ανθεκτικότητα και τη μακροζωία των επιστρώσεων και την πιθανότητα ξεφλουδίσματος ή απολέπισης. Τελικά, η επιλογή γραφίτη εξαιρετικά χαμηλού πορώδους σε ένα καθημερινό σενάριο κατασκευής, ενώ αποτελεί ιδιότητα υλικού, παρέχει πολύ άμεσο όφελος στην επίτευξη σταθερών, καθαρών, προβλέψιμων αποτελεσμάτων πλακιδίων σε διαδικασίες επιταξίας SiC υψηλής τεχνολογίας.