Varför högren grafit är avgörande för kontroll av SiC-epitaxisdefekter

Kvaliteten på den producerade kiselkarbidskivan (SiC) påverkas även av subtila förändringar i tillväxtmiljön. Ett område som många inte beaktar är grafiten som bekläder reaktorn. Den står emot den intensiva värme som finns inuti reaktorn medan den stöder och positionerar skivan under epitaxi. Om grafiten är oren eller har en oregelbunden struktur kan små materialbitar eller en oönskad reaktion avsättas under tillväxtprocessen. Små problem på grafitens yta kan utvecklas till större skivdefekter, vilket resulterar i mer arbete och lägre avkastning för chiptillverkarna. Därmed påverkas skivans skick och renhet. Grafitmottagare är en viktigare fråga än de flesta tror.

Hur påverkar grafits renhet partikelproblem i epitaxikammare?

Partiklar är en genomgripande waferdefekt i SiC-epitaxikammare och involverar ofta grafit i processen. Grafitdelarna befinner sig i SiC-reaktorns heta zon, bär wafern och påverkar de termiska konturerna. Vid användning av mindre ren grafit kan spårföroreningar, såsom metalliska föroreningar, aska eller processrester, långsamt avgasas från grafiten under tillväxt vid hög temperatur. De avgasade föroreningarna är ofta odetekterbara i kammaren, men de landar så småningom på waferytan eller blir en del av gasfasen. Till exempel valde en fabrik i en tillämpning en grafit av lägre kvalitet för kostnadsbesparingar. Även om inga problem uppstod under korta körningar initialt, efter flera cykler av Sic epitaxi , slumpmässiga nålhål och grova fläckar observerades på waferns yta. Källan till sådana defekter spårades till mikropartiklar som avgavs från grafithållaren eller susceptorn. Partiklarna skulle komma in i tillväxtkammaren och fungera som frön på ett oönskat sätt. Ojämn densitet hos grafitdelen skulle också bidra till mikrosprickbildning på delytan vid uppvärmning, vilket leder till att fina partiklar avges i kammaren över tid, även om delen kan verka ren. Därför är övervakning av grafitkällan och dess historia en rutinuppgift i fabriker för att undvika partikelrelaterade defekter. En högrent grafit med en kontrollerad mängd aska är i allmänhet önskvärd, särskilt för långsiktiga produktioner. En räkning av termiska cykler för delar övervakas också eftersom material kommer att avge partiklar även efter goda initiala bearbetningar. Dessutom påverkar underhållsmetoden för grafitdelar defekterna. Till exempel skulle aggressiva rengöringsprocedurer skada grafitytan och resultera i mikrosprickor. Den föredragna metoden är en mild, kontrollerad rengöringsprocess med minimal fysisk interaktion med grafitdelarna. Av ekonomiska skäl kan det vara bättre att byta ut delarna tidigare än väntat än att hantera utbytesförluster i senare skeden. Kort sagt kretsar kontrollen av partikelgenerering i en typisk SiC-epitaxiprocess kring små detaljer om materialkvalitet och hanteringsmetoder. Frågan om grafitkvalitet är kärnfrågan.

Materialkrav för avancerade epitaxiella delar och susceptorer i SiC

För SiC-epitaxi är delarna i reaktorn mer än bara för att "hålla" wafern. Susceptorer, grafitbärare och hetzonkomponenter i reaktorn påverkar direkt kristalltillväxten. Det är därför materialen är mycket krävande och en liten defekt kommer så småningom att manifestera sig som en defekt på wafern. Hög termisk stabilitet är ett grundläggande krav. Delarna värms upp till mycket höga temperaturer under lång tid (ibland upprepade uppvärmnings-/kylcykler). Ett material som inte kan bibehålla stabilitet vid dessa temperaturer kommer att deformera och kan så småningom spricka. Små förändringar i geometrin kan avsevärt förändra gasflödet och värmefördelningen, vilket resulterar i ojämn kristalltillväxt på waferytan. Renhet är en annan kritisk faktor. Avancerade SiC-processer kräver mycket låg metallhalt och mycket låg asknivå i grafitbaserade komponenter. Under drift kommer spårmetallerna långsamt att läcka ut ur delarna, föroreningarna kan diffundera in i kammaren och resultera i partikelkontaminering eller lokala kristalldefekter. I vissa fabriker har slumpmässiga staplingsfel spårats till en enda sats kontaminerad susceptor. Ytstruktur är ett viktigt krav. En slät och jämn yta hjälper till att minska partikelavgivningen under uppvärmnings-/kylcykeln. En ojämn yta, eller porer i ytstrukturen, kommer kontinuerligt att brytas ner under drift och därmed generera en stadig källa av partiklar i kammaren. Beläggningens kvalitet är också ett annat viktigt krav. Många avancerade susceptorer använder SiC-beläggning som ett skyddande lager. Beläggningen måste fästa väl vid basmaterialet och måste tåla långvarig drift. Dålig bindning och delaminering kommer att direkt exponera basgrafiten för den hårda reaktionsmiljön. Vi ser ofta detta i verkliga tillämpningar: till exempel kommer en waferfabrik som körs under långa produktionsbatcher att observera att defektfrekvensen ökar stadigt efter hundratals cykler. Inspektion av susceptorn kommer att avslöja ett lätt slitage på beläggningen och kanterosion. Att byta eller byta ut komponenten kommer att återställa defektfrekvensen till en acceptabel nivå. Att välja rätt material handlar inte bara om komponenternas initiala prestanda, utan också om materialets stabilitet i upprepade cykler.

Kornstrukturens effekter på termisk stabilitet i AIXTRON G10-system

Kornstrukturen hos grafitkomponenter inuti en högtemperatur-SiC Epitaxitillväxt system, såsom en AIXTRON G10, påverkar i hög grad den termiska stabiliteten. Detta relaterar till dimensionsförändringar, formbevarande och respons på termiska cykler. Grafit är inte ett monolitiskt fast ämne. Det består av många kristalliter eller korn. De enskilda kristalliterna kan ha olika orienteringar. När det finns dålig kontroll över kornstorleken i grafitkomponenten uppstår ojämn värmefördelning. Områden i komponenten värms upp och kyls ner i olika hastigheter. Detta skapar inre spänning på mikronivå. Långsamt med tiden orsakar denna inre spänning skevhet eller distorsion i delar som susceptorn eller waferbäraren. Denna process är lätt att identifiera under produktionen. Den uppträder vanligtvis när waferlinjen arbetar vid höga temperaturer. Waferkvaliteten börjar driva efter hundratals termiska cykler. Variationer i tjocklek ökar och kantdefekter börjar dyka upp mer regelbundet. När dessa delar har undersökts har de vanligtvis tecken på skevhet eller materialutmattning. Finkorniga strukturer med kontrollerad kristallitfördelning har mycket bättre termisk stabilitet än grovkorniga eller slumpmässiga strukturer. Detta kommer att resultera i jämnare värmeöverföring och minskade lokaliserade spänningspunkter. Med en korrekt kornstruktur kommer delarna att motstå vridning även under hundratals termiska cykler. Grova strukturer eller dåligt fördelade kornstrukturer resulterar i svaga punkter i delen, vilket möjliggör mikrosprickbildning och slutligen frigöring av partiklar i kammaren. En annan viktig fråga att beakta är motståndskraft mot termisk chock. Det finns punkter där delen genomgår betydande temperaturförändringar, såsom lastning i reaktorn eller vid borttagning. Om det finns svaga gränser mellan kornen kan mikrosprickor bildas längs kornlinjerna. Även om detta vanligtvis inte leder till delfel, tillåter det dessa svagheter att bildas i materialet, vilket leder till framtida tillförlitlighetsproblem. De flesta fabriker spårar delarnas livslängd både efter antalet använda timmar och antalet termiska cykler och total värmebehandling. Delar med välkonstruerad kornstruktur har längre livslängd och mer konsekventa resultat över tid.

Minska metallföroreningar i högrena grafitkomponenter

Ett av de "osynliga" men kritiska problemen i alla grafitdelar, inklusive i SiC-epitaxiprocesser, är metallisk kontaminering. Även små spår av metaller i en grafitdel kan läcka in i processen och bli en källa till svårspårade defekter i en SiC-epitaxireaktor som AIXTRON G10. Sådana metaller kommer normalt från råmaterialen eller de olika processsteg som är involverade i tillverkningen av grafitkomponenten. Element som järn, nickel, kalcium och natrium är vanliga och förblir fångade i huvuddelen av grafiten vid rumstemperatur, men vid den förhöjda processtemperaturen som används i SiC-epitaxi kan dessa element bli rörliga. Dessa spårmetaller kan så småningom avgasas eller migrera till ytan under upprepade uppvärmnings-/kylcykler i den heta zonen, nämligen susceptorn eller själva waferbäraren. Ett typiskt fall skulle vara så här: en fabrik startar en produktionssats med nya grafitdelar. De första wafers är okej och uppvisar inga defekter, men efter en viss period börjar små defekter dyka upp. De är vanligtvis små gropar, slumpmässiga stackfel eller oförklarliga partikelhändelser. Det är lätt att felaktigt misstänka ett felaktigt gasflöde eller en kontamineringshändelse under kammarrengöringen. Men detaljerad analys leder ofta tillbaka till den långsamma frisättningen av spårmetaller från grafitkomponenter. Att kontrollera grafitens renhet är en av nycklarna. För kritiska komponenter föredras alltid högtemperaturrenad grafit med låg askhalt. Detta reningssteg avlägsnar majoriteten av metallrester. Sådan grafit kan hålla elementen instängda under en längre tid även under upprepade uppvärmnings-/kylcykler. Inspektionen av grafitdelar är också mycket viktig i vissa fabriker. Testning av grafitbatcher med tekniker som ICP-OES eller XRF kan förhindra användning av kontaminerade delar. Det kan också förhindra att delar från olika källor blandas inom samma processflöde. Beläggningar som SiC eller TaC hjälper också till att lösa problemet genom att fungera som en barriär mellan grafitdelen och processmiljön. Så länge beläggningen är väl avsatt och bunden till det underliggande grafitsubstratet kommer det att minska grafitdelens interaktion med processmiljön. Sist men inte minst är hanteringen och lagringen av grafitdelarna. Grafitdelar kan kontamineras under hantering med smutsiga handskar, instrument eller genom att förvaras på en oren hylla. Denna ytförorening kan sedan komma in i ugnen under uppvärmningscykeln. För att minska metallisk förorening av grafitdelar krävs det en mängd olika små insatser. Ett högrent material i kombination med god hanteringspraxis och noggrann processkontroll krävs.

Varför kräver Veeco EPIK-system grafitmaterial med ultralåg porositet?

Grafitdelar i Veeco EPIK Systems-plattformen genomgår en av de tuffaste processförhållandena inom halvledartillverkning. Dessa komponenter upplever förhållanden med hög temperatur, aggressiv gaskemi och långa processcykler. Grafit med ultralåg porositet är därför avgörande för att bibehålla SiC-epitaxins integritet och renhet. Porositet avser de små, interna porerna som finns i själva grafitkroppen. Trots en perfekt slät yta kan interna porer finnas som fångar processgaser, rester och rengöringskemi. Hög porositet innebär mer intern volym för infångning, där materialet efter hög temperaturexponering långsamt kan avgasas. Denna avgasning är inte alltid linjär och kan leda till sprängningar, vilket gör processen svår att kontrollera. Vid SiC-epitaxin är detta särskilt skadligt. När gaser släpps ut från grafitkroppen kan de införlivas i gasflödet i epitaxikammaren, vilket bidrar till oönskade partiklar. Partiklar kommer att leta sig upp på waferns yta, vilket påverkar kristalltillväxten och kan leda till oväntade defekter såsom slumpmässiga gropar, ytgrovhet eller lokala variationer i waferns tjocklek. Ett typiskt scenario är i produktionsramper där en ren fabrik tar emot nya grafitdelar för ett EPIK-system. De första resultaten kan vara acceptabla, men allt eftersom de termiska cyklerna upprepas kan defektfrekvensen krypa upp och inspektion av processkedjan, inklusive gasledningar, ventiler och rengöringsprocessteg, kanske inte avslöjar något uppenbart. Ofta avslöjas det att boven i dramat är lågporös grafit inom högtemperaturzonen. Valet av ultralågporös grafit minimerar effektivt denna risk genom att begränsa de interna volymer där instängda ämnen kan döljas, vilket minimerar sannolikheten för plötsliga gasutsläpp vid uppvärmning. Det är också förknippat med bättre mekanisk integritet. Den tätare strukturen hos ultralågporös grafit erbjuder vanligtvis ökat motståndskraft mot sprickbildning eftersom grafiten genomgår upprepade termiska cykler. Dessutom främjar lågporösa ytor förbättrad beläggningsintegritet. När SiC eller andra eldfasta material beläggs på dessa grafitytor vidhäftar de väl till en mindre porös yta. Detta beror sannolikt på den ökade intimiteten i bindningen mellan det belagda materialet och grafiten, vilket i sin tur förbättrar beläggningarnas hållbarhet och livslängd samt deras potential att flagna eller lossna. I slutändan ger valet av grafit med ultralåg porositet i det dagliga tillverkningsscenarioet, även om det är en materialegenskap, mycket direkta fördelar för att uppnå stabila, rena och förutsägbara waferresultat inom avancerade SiC-epitaxiprocesser.