Hvorfor højrent grafit er afgørende for SiC-epitaksi-defektkontrol

Kvaliteten af ​​den producerede siliciumcarbid (SiC) wafer påvirkes selv af små ændringer i vækstmiljøet. Et område, som mange ikke overvejer, er grafitten, der forer reaktoren. Den kan modstå den intense varme, der findes inde i reaktoren, mens den støtter og positionerer waferen under epitaksi. Hvis grafitten er uren eller uregelmæssigt struktureret, kan små stykker materiale eller en uønsket reaktion aflejres under vækstprocessen. Små problemer på grafitoverfladen kan udvikle sig til større waferdefekter, hvilket resulterer i mere arbejde og lavere udbytte for chipproducenter. Således forbedres tilstanden og renligheden af Grafitmodtager er et vigtigere problem, end de fleste ville tro.

Hvordan påvirker grafits renhed partikelproblemer i epitaksikamre?

Partikler er en udbredt waferdefekt i SiC-epitaksikamre og involverer ofte grafit i processen. Grafitdelene befinder sig i SiC-reaktorens varme zone, hvor de bærer waferen og påvirker de termiske konturer. Ved brug af mindre ren grafit kan spor af urenheder, såsom metalliske forurenende stoffer, aske eller procesrester, langsomt udgasse fra grafitten over tid under vækst ved høj temperatur. De udgassede urenheder er ofte ikke-detekterbare i kammeret, men de lander til sidst på waferoverfladen eller bliver en del af gasfasen. For eksempel valgte en fabrik i én anvendelse en lavere kvalitet grafit for at bespare penge. Selvom der i starten ikke var nogen problemer synlige under korte kørsler, efter flere cyklusser af Sic epitaksi Der blev observeret tilfældige små huller og ru pletter på waferoverfladen. Kilden til sådanne defekter blev sporet tilbage til mikropartikler, der blev udsendt fra grafitholderen eller -susceptoren. Partiklerne ville trænge ind i vækstkammeret og fungere som frø på en uønsket måde. Ujævn densitet af grafitdelen ville også bidrage til mikrorevnedannelse på deloverfladen ved opvarmning, hvilket ville føre til, at fine partikler afgives til kammeret over tid, selvom delen kan se ren ud. Derfor er overvågning af grafitkilden og dens historie en rutineopgave i fabrikker for at undgå partikelrelaterede defekter. En grafit med høj renhed og en kontrolleret mængde aske er generelt ønskelig, især til langvarige produktioner. En optælling af termiske cyklusser for dele overvåges også, da materialer vil afgive partikler selv efter gode indledende behandlinger. Vedligeholdelsesmetoden for grafitdele påvirker også defekter. For eksempel ville aggressive rengøringsprocedurer beskadige grafitoverfladen og resultere i mikrorevner. Den foretrukne metode er en mild, kontrolleret rengøringsproces med minimal fysisk interaktion med grafitdelene. Af økonomiske årsager kan det være bedre at udskifte delene tidligere end forventet end at håndtere udbyttetab på senere stadier. Kort sagt drejer kontrollen af ​​partikelgenerering i en typisk SiC-epitaksiproces sig om små detaljer om materialekvalitet og håndteringspraksis. Spørgsmålet om grafitkvalitet er kernen i sagen.

Materialekrav til high-end SiC epitaksiale dele og susceptorer

For SiC-epitaksi er delene i reaktoren mere end blot at 'holde' waferen. Susceptorer, grafitbærere og hotzone-komponenter i reaktoren påvirker direkte krystalvæksten. Derfor er materialerne meget krævende, og en lille fejl vil i sidste ende manifestere sig som en defekt på waferen. Høj termisk stabilitet er et grundlæggende krav. Delene opvarmes til meget høje temperaturer i lang tid (nogle gange gentagne opvarmnings-/kølecyklusser). Et materiale, der ikke kan opretholde stabilitet ved disse temperaturer, vil forvrænge og kan i sidste ende revne. Små ændringer i geometrien kan ændre gasstrømmen og varmefordelingen betydeligt, hvilket resulterer i uensartet krystalvækst på waferoverfladen. Renhed er en anden kritisk faktor. High-end SiC-processer kræver et meget lavt metalindhold og et meget lavt askeniveau i grafitbaserede komponenter. Under drift vil spormetallerne langsomt udsives fra delene, og forureningerne kan diffundere ind i kammeret og resultere i partikelforurening eller lokale krystaldefekter. I nogle fabrikker er tilfældige stablingsfejl blevet sporet til en enkelt batch af forurenet susceptor. Overfladestruktur er et vigtigt krav. En glat og jævn overflade vil bidrage til at reducere afgivelsen af ​​partikler under opvarmnings-/kølecyklussen. En ujævn overflade eller porer i overfladestrukturen vil kontinuerligt nedbrydes under drift og dermed generere en stabil kilde af partikler i kammeret. Belægningens kvalitet er også et andet vigtigt krav. Mange avancerede susceptorer bruger SiC-belægning som et beskyttelseslag. Belægningen skal klæbe godt til basismaterialet og skal kunne modstå langvarig drift. Dårlig binding og delaminering vil direkte udsætte basisgrafitten for det barske reaktionsmiljø. Vi ser ofte dette i virkelige applikationer: for eksempel vil en waferfabrik, der kører i lange produktionsbatcher, observere, at defektraten stiger støt efter hundredvis af cyklusser. Inspektion af susceptoren vil afsløre et let slid på belægningen og kanterosion. Ændring eller udskiftning af komponenten vil bringe defektraten tilbage til et acceptabelt niveau. At vælge de rigtige materialer handler ikke kun om komponenternes indledende ydeevne, men også om materialets stabilitet i gentagne cyklusser.

Kornstrukturens effekt på termisk stabilitet i AIXTRON G10-systemer

Kornstrukturen af ​​grafitkomponenter inde i en højtemperatur SiC Epitaksi-vækst system, såsom en AIXTRON G10, påvirker i høj grad den termiske stabilitet. Dette vedrører dimensionsændringer, formfastholdelse og reaktion på termisk cykling. Grafit er ikke et monolitisk fast stof. Det består af adskillige krystallitter eller korn. De individuelle krystallitter kan have forskellige orienteringer. Når der er dårlig kontrol over kornstørrelsen i grafitkomponenten, opstår der ujævn varmefordeling. Områder af komponenten opvarmes og afkøles med forskellige hastigheder. Dette skaber intern spænding på mikroniveau. Langsomt over tid forårsager denne interne spænding vridning eller forvrængning i dele som susceptoren eller waferbæreren. Denne proces er let identificerbar under produktionen. Det opstår typisk, når waferlinjen arbejder ved høje temperaturer. Waferkvaliteten begynder at skifte efter hundredvis af termiske cyklusser. Variationer i tykkelse øges, og kantfejl begynder at dukke op mere regelmæssigt. Når disse dele er undersøgt, har de normalt tegn på vridning eller materialetræthed. Finkornede strukturer med kontrolleret krystallitfordeling vil have meget bedre termisk stabilitet end grove korn eller tilfældige strukturer. Dette vil resultere i mere jævn varmeoverførsel og reducerede lokaliserede spændingspunkter. Med en korrekt kornstruktur vil delene modstå vridning selv over hundredvis af termiske cyklusser. Grove strukturer eller dårligt fordelte kornstrukturer resulterer i svage punkter i delen, hvilket tillader mikrorevner og eventuel frigivelse af partikler i kammeret. Et andet vigtigt punkt at overveje er modstandsdygtighed over for termisk chok. Der er punkter, hvor delen undergår betydelige temperaturændringer, såsom belastning i reaktoren eller ved fjernelse. Hvis der er svage grænser mellem kornene, kan der dannes mikrorevner langs kornlinjerne. Selvom dette typisk ikke resulterer i delfejl, tillader det disse svagheder at dannes i materialet, hvilket fører til fremtidige pålidelighedsproblemer. De fleste fabrikker sporer delens levetid både efter antallet af brugte timer og antallet af termiske cyklusser og den samlede varmebehandling. Dele med en velkonstrueret kornstruktur har længere levetid og mere ensartede resultater over tid.

Reduktion af metallisk forurening i grafitkomponenter med høj renhed

Et af de "usynlige", men kritiske problemer i enhver grafitdel, inklusive i SiC-epitaksiprocessen, er metallisk forurening. Selv små spor af metaller i en grafitdel kan sive ind i processen og blive en kilde til vanskeligt sporbare defekter i en SiC-epitaksireaktor som AIXTRON G10. Sådanne metaller stammer normalt fra råmaterialerne eller de forskellige procestrin, der er involveret i fremstillingen af ​​grafitkomponenten. Elementer som jern, nikkel, calcium og natrium er almindelige og forbliver fanget i hovedparten af ​​grafitten ved stuetemperatur, men ved den forhøjede procestemperatur, der anvendes i SiC-epitaksi, kan disse elementer blive mobile. Disse spormetaller kan til sidst udgasses eller migrere til overfladen under gentagne opvarmnings-/kølecyklusser i den varme zone, nemlig susceptoren eller selve waferbæreren. Et typisk tilfælde ville være som dette: en fabrik starter en produktionsbatch med nye grafitdele. De første par wafere er ok og udviser ingen defekter, men efter en vis periode begynder små defekter at dukke op. Det er normalt små huller, tilfældige stakfejl eller uforklarlige partikelhændelser. Det er let at mistænke en forkert gasstrøm eller en kontamineringshændelse under rengøring af kammeret. Men detaljeret analyse fører ofte tilbage til den langsomme frigivelse af spormetaller fra grafitkomponenter. Kontrol af grafitens renhed er en af ​​nøglerne. For kritiske komponenter foretrækkes altid højtemperaturrenset grafit med et lavt askeindhold. Dette rensningstrin fjerner størstedelen af ​​metalliske rester. Sådan grafit kan holde elementerne fanget i længere tid, selv under gentagne opvarmnings-/kølecyklusser. Den indgående inspektion af grafitdele er også meget vigtig i nogle fabrikker. Test af grafitbatcher med teknikker som ICP-OES eller XRF kan forhindre brug af kontaminerede dele. Det kan også forhindre blanding af dele fra forskellige kilder inden for samme procesflow. Belægninger som SiC eller TaC hjælper også med at løse problemet ved at fungere som en barriere mellem grafitdelen og procesmiljøet. Så længe belægningen er godt aflejret og bundet til det underliggende grafitsubstrat, vil det reducere grafitdelens interaktion med procesmiljøet. Sidst men ikke mindst er håndteringen og opbevaringen af ​​grafitdelene. Grafitdele kan blive kontamineret under håndtering med snavsede handsker, instrumenter eller ved at blive opbevaret på en uren hylde. Denne overfladeforurening kan derefter trænge ind i ovnen under opvarmningscyklussen. For at reducere metallisk forurening af grafitdele er det summen af ​​mange små anstrengelser. Et materiale med høj renhed kombineret med god håndteringspraksis og stram proceskontrol er påkrævet.

Hvorfor kræver Veeco EPIK-systemer grafitmaterialer med ultralav porøsitet?

Grafitdele i Veeco EPIK Systems-platformen undergår en af ​​de hårdeste procesforhold inden for halvlederfremstilling. Disse komponenter oplever forhold med høj temperatur, aggressiv gaskemi og lange procescyklusser. Grafit med ultralav porøsitet er derfor afgørende for at opretholde SiC-epitaksiens integritet og renhed. Porøsitet refererer til de små, indre porer, der findes i selve grafitlegemet. På trods af en perfekt glat overflade kan der være indre porer, der fanger procesgasser, rester og rengøringskemi. Høj porøsitet betyder mere indre volumen til indfangning, hvor materialet efter høj temperaturpåvirkning langsomt kan afgasses. Denne afgasning er ikke altid lineær og kan føre til udbrud, hvilket gør processen vanskelig at kontrollere. I SiC-epitaksi er dette især skadeligt. Når gasser frigives fra grafitlegemet, kan de inkorporeres i gasstrømmen i epitaksikammeret og bidrage til uønskede partikler. Partikler vil finde vej til waferoverfladen, hvilket påvirker krystalvæksten og kan føre til uventede defekter såsom tilfældige huller, overfladeruhed eller lokale variationer i wafertykkelsen. Et typisk scenarie er i produktionsramper, hvor en ren fabrik modtager nye grafitdele til et EPIK-system. De indledende resultater kan være acceptable, men efterhånden som de termiske cyklusser gentages, kan defektraterne stige, og inspektion af procestrinnet, inklusive gasledninger, ventiler og rengøringsprocestrin, afslører muligvis ikke noget åbenlyst. Ofte afsløres det, at synderen er lavporøsitetsgrafiten inden for højtemperaturzonen. Valget af ultralavporøsitetsgrafit minimerer effektivt denne risiko ved at begrænse de interne volumener, hvor fangede arter kan skjules, hvilket minimerer sandsynligheden for pludselige gasudslip ved opvarmning. Det er også forbundet med bedre mekanisk integritet. Den tættere struktur af ultralavporøsitetsgrafit giver typisk øget modstandsdygtighed over for revner, da grafitten gennemgår gentagne termiske cyklusser. Desuden fremmer lavporøse overflader forbedret belægningsintegritet. Når SiC eller andre ildfaste materialer belægges på disse grafitoverflader, klæber de godt til en mindre porøs overflade. Dette skyldes sandsynligvis den øgede tæthed i bindingen mellem det belagte materiale og grafitten, hvilket igen forbedrer belægningernes holdbarhed og levetid og deres potentiale for at skalle af eller skalle af. I sidste ende giver valget af grafit med ultra lav porøsitet i et dagligt fremstillingsscenarie, selvom det er en materialeegenskab, en meget direkte fordel i forhold til at opnå stabile, rene og forudsigelige waferresultater inden for avancerede SiC-epitaksiprocesser.