Miksi erittäin puhdas grafiitti on kriittinen piikarbidin epitaksian aiheuttamien virheiden hallinnassa

Tuotetun piikarbidi- (SiC) kiekon laatuun vaikuttavat jopa hienovaraiset muutokset kasvuympäristössä. Yksi asia, jota monet eivät ota huomioon, on reaktorin sisällä oleva grafiitti. Se kestää reaktorin sisällä olevan voimakkaan lämmön, kun se tukee ja asemoi kiekkoa epitaksian aikana. Jos grafiitti on epäpuhdasta tai rakenteeltaan epäsäännöllistä, kasvuprosessin aikana voi kertyä pieniä materiaalin hiukkasia tai ei-toivottuja reaktioita. Pienet ongelmat grafiitin pinnalla voivat puhjeta suuriksi kiekkovirheiksi, mikä johtaa sirujen valmistajien työmäärän kasvuun ja alhaisempiin saantoihin. Näin ollen kiekon kunto ja puhtaus Grafiittisuskeptori on tärkeämpi asia kuin useimmat luulevat.

Miten grafiitin puhtaus vaikuttaa hiukkasongelmiin epitaksiaalisissa kammioissa?

Hiukkaset ovat yleinen kiekkovirhe piikarbidiepitaksikammioissa, ja prosessiin liittyy usein grafiittia. Grafiittiosat sijaitsevat piikarbidireaktorin kuumassa vyöhykkeessä, kantavat kiekkoa ja vaikuttavat lämpötilakäyriin. Käytettäessä vähemmän puhdasta grafiittia, grafiitista voi ajan myötä korkean lämpötilan kasvun aikana hitaasti kaasua vapautua pieniä epäpuhtauksia, kuten metallisia epäpuhtauksia, tuhkaa tai prosessijäämiä. Poistuneet epäpuhtaudet ovat usein havaitsemattomia kammiossa, mutta ne lopulta laskeutuvat kiekon pinnalle tai niistä tulee osa kaasufaasia. Esimerkiksi yhdessä sovelluksessa tehdas valitsi heikompilaatuisen grafiitin kustannussäästöjen vuoksi. Vaikka aluksi lyhyiden sarjojen aikana ei ilmennyt ongelmia, useiden syklien jälkeen... Sic-epitaksi Kiekon pinnalla havaittiin satunnaisia ​​neulanreikiä ja karheita kohtia. Tällaisten vikojen lähde jäljitettiin grafiittipidikkeestä tai suskeptorista lähteviin mikrohiukkasiin. Hiukkaset pääsisivät kasvukammioon ja toimisivat siemeninä ei-toivotulla tavalla. Grafiittiosan epätasainen tiheys edistäisi myös osan pinnan mikrohalkeilua kuumennettaessa, mikä johtaisi hienojen hiukkasten irtoamiseen kammioon ajan myötä, vaikka osa näyttäisi puhtaalta. Siksi grafiitin lähteen ja sen historian seuranta on rutiinitehtävä tehtailla hiukkasiin liittyvien vikojen välttämiseksi. Korkean puhtauden grafiitti, jossa on kontrolloitu määrä tuhkaa, on yleensä toivottavaa, erityisesti pitkäaikaisessa tuotannossa. Osien lämpösyklien määrää seurataan myös, koska materiaalit irrottavat hiukkasia jopa hyvien alkukäsittelyjen jälkeen. Myös grafiittiosien huoltomenetelmä vaikuttaa vikoihin. Esimerkiksi aggressiiviset puhdistusmenetelmät vahingoittaisivat grafiitin pintaa ja johtaisivat mikrohalkeamiin. Edullinen menetelmä on hellävarainen, kontrolloitu puhdistusprosessi, jossa fyysinen vuorovaikutus grafiittiosien kanssa on minimaalinen. Taloudellisista syistä osien vaihtaminen odotettua aikaisemmin voi olla parempi vaihtoehto kuin myöhemmissä vaiheissa ilmenevän saannonmenetyksen käsitteleminen. Lyhyesti sanottuna hiukkasten muodostumisen hallinta tyypillisessä piikarbidin epitaksiprosessissa keskittyy pieniin yksityiskohtiin, kuten materiaalin laatuun ja käsittelytapoihin. Grafiitin laatu on asian ydin.

Huippuluokan piikarbidiepitaksiaalisten osien ja suskeptorien materiaalivaatimukset

Piikarbidiepitaksiassa reaktorin osien tehtävänä on enemmän kuin vain "pitää" kiekkoa. Suskeptorit, grafiitinkantajat ja kuumavyöhykkeen komponentit reaktorissa vaikuttavat suoraan kiteen kasvuun. Siksi materiaalit ovat erittäin vaativia, ja pienikin virhe ilmenee lopulta kiekon vikana. Korkea terminen stabiilius on perusvaatimus. Osat kuumennetaan erittäin korkeisiin lämpötiloihin pitkään (joskus toistuvia lämmitys-/jäähdytyssyklejä). Materiaali, joka ei pysty säilyttämään vakautta näissä lämpötiloissa, vääristyy ja voi lopulta halkeilla. Pienet muutokset geometriassa voivat muuttaa merkittävästi kaasun virtausta ja lämmönjakoa, mikä johtaa epätasaiseen kiteen kasvuun kiekon pinnalla. Puhtaus on toinen kriittinen tekijä. Huippuluokan piikarbidiprosessit vaativat erittäin alhaista metallipitoisuutta ja erittäin alhaista tuhkapitoisuutta grafiittipohjaisissa komponenteissa. Käytön aikana hivenmetallit liukenevat hitaasti osista, epäpuhtaudet voivat diffundoitua kammioon ja johtaa hiukkaskontaminaatioon tai paikallisiin kidevirheisiin. Joissakin tehtaissa satunnainen pinoamisvirhe on jäljitetty yhteen saastuneen suskeptorin erään. Pintarakenne on tärkeä vaatimus. Sileä ja tasainen pinta auttaa vähentämään hiukkasten irtoamista lämmitys-/jäähdytyssyklin aikana. Epätasainen pinta tai pintarakenteen huokoset hajoavat jatkuvasti käytön aikana ja tuottavat siten tasaisen hiukkaslähteen kammioon. Pinnoitteen laatu on myös olennainen vaatimus. Monet huippuluokan suskeptorit käyttävät piikarbidipinnoitetta suojakerroksena. Pinnoitteen on tartuttava hyvin perusmateriaaliin ja kestettävä pitkäaikaista käyttöä. Huono sidos ja delaminaatio altistavat perusgrafiitin suoraan ankaralle reaktioympäristölle. Näemme tämän usein todellisissa sovelluksissa: esimerkiksi pitkiä tuotantoeriä käyttävä kiekkotehdas havaitsee, että vikaantumisaste kasvaa tasaisesti satojen syklien jälkeen. Suskeptorin tarkastaminen paljastaa pinnoitteen lievää kulumista ja reunojen eroosiovaurioita. Komponentin vaihtaminen tai korvaaminen palauttaa vikaantumisasteen hyväksyttävälle tasolle. Oikeiden materiaalien valinta ei koske pelkästään komponenttien alkuperäistä suorituskykyä, vaan materiaalin vakautta toistuvissa sykleissä.

Rakerakenteen vaikutukset lämpöstabiilisuuteen AIXTRON G10 -järjestelmissä

Grafiittikomponenttien raerakenne korkean lämpötilan piikarbidin sisällä Epitaksian kasvu Järjestelmä, kuten AIXTRON G10, vaikuttaa merkittävästi lämpöstabiilisuuteen. Tämä liittyy mittamuutoksiin, muodon säilymiseen ja vasteeseen lämpösykleihin. Grafiitti ei ole monoliittinen kiinteä aine. Se koostuu lukuisista kiteistöistä tai jyvistä. Yksittäisillä kiteistöillä voi olla eri orientaatiot. Kun grafiittikomponentin raekokoa ei hallita hyvin, lämmönjako on epätasaista. Komponentin alueet lämpenevät ja jäähtyvät eri nopeuksilla. Tämä luo sisäistä jännitystä mikrotasolla. Ajan myötä tämä sisäinen jännitys aiheuttaa vääntymistä tai vääristymistä osissa, kuten suskeptorissa tai kiekon kantajassa. Tämä prosessi on helposti tunnistettavissa tuotannon aikana. Se ilmenee tyypillisesti, kun kiekkolinja toimii korkeissa lämpötiloissa. Kiekon laatu alkaa heiketä satojen lämpösyklien jälkeen. Paksuuden vaihtelut lisääntyvät ja reunavirheitä alkaa esiintyä säännöllisemmin. Kun näitä osia tutkitaan, niissä on yleensä merkkejä vääntymisestä tai materiaalin väsymisestä. Hienorakeisilla rakenteilla, joilla on kontrolloitu kiteiden jakautuminen, on paljon parempi lämpöstabiilisuus kuin karkeilla rakeisilla tai satunnaisilla rakenteilla. Tämä johtaa tasaisempaan lämmönsiirtoon ja vähentää paikallisia jännityspisteitä. Oikealla raerakenteella osat kestävät vääntymistä jopa satojen lämpösyklien aikana. Karkeat tai huonosti jakautuneet raerakenteet johtavat heikkoihin kohtiin osan sisällä, mikä mahdollistaa mikrohalkeilun ja lopulta hiukkasten vapautumisen kammioon. Toinen keskeinen huomioon otettava seikka on lämpöshokin kestävyys. On kohtia, joissa osa käy läpi merkittäviä lämpötilan muutoksia, kuten reaktoriin lastattaessa tai poistettaessa. Jos rakeiden välillä on heikkoja rajoja, raeviivoille voi muodostua mikrohalkeamia. Vaikka tämä ei yleensä johda osan vikaantumiseen, se mahdollistaa näiden heikkouksien muodostumisen materiaaliin, mikä johtaa tuleviin luotettavuusongelmiin. Useimmat tehtaat seuraavat osan käyttöikää sekä käytettyjen tuntien että lämpösyklien ja kokonaislämpökäsittelyn määrän perusteella. Hyvin suunnitellulla raerakenteella varustetuilla osilla on pidempi käyttöikä ja johdonmukaisemmat tulokset ajan myötä.

Metallisen kontaminaation vähentäminen erittäin puhtaissa grafiittikomponenteissa

Yksi "näkymättömistä", mutta kriittisistä ongelmista kaikissa grafiittiosissa, myös piikarbidiepitaksiassa, on metallikontaminaatio. Jopa pienet metallijäämät grafiittiosassa voivat liueta prosessiin ja aiheuttaa vaikeasti jäljitettäviä vikoja piikarbidiepitaksireaktorissa, kuten AIXTRON G10:ssä. Tällaiset metallit ovat yleensä peräisin raaka-aineista tai grafiittikomponentin valmistuksen eri prosessointivaiheista. Alkuaineet, kuten rauta, nikkeli, kalsium ja natrium, ovat yleisiä ja pysyvät loukussa grafiitissa huoneenlämmössä, mutta piikarbidiepitaksiassa käytetyssä korotetussa prosessilämpötilassa nämä alkuaineet saattavat muuttua liikkuviksi. Nämä hivenmetallit voivat lopulta kaasun haihtua tai siirtyä pinnalle toistuvien lämmitys-/jäähdytyssyklien aikana kuumassa vyöhykkeessä, nimittäin itse suskeptorissa tai kiekon alustassa. Tyypillinen tapaus olisi tällainen: tehdas aloittaa tuotantoerän käyttämällä uusia grafiittiosia. Ensimmäiset kiekot ovat kunnossa eikä niissä ole vikoja, mutta tietyn ajan kuluttua pieniä vikoja alkaa ilmestyä. Ne ovat yleensä pieniä kuoppia, satunnaisia ​​pinovirheitä tai selittämättömiä hiukkastapahtumia. Kammion puhdistuksen aikana on helppo virheellisesti epäillä väärää kaasun virtausta tai kontaminaatiota. Yksityiskohtainen analyysi johtaa kuitenkin usein takaisin grafiittikomponenttien hitaan metallien vapautumiseen. Grafiitin puhtauden hallinta on yksi avainasemassa. Kriittisten komponenttien osalta suositaan aina korkeassa lämpötilassa puhdistettua grafiittia, jolla on alhainen tuhkapitoisuus. Tämä puhdistusvaihe poistaa suurimman osan metallijäämistä. Tällainen grafiitti voi pitää alkuaineet loukussa pidempään jopa toistuvissa lämmitys-/jäähdytysjaksoissa. Grafiittiosien sisääntulotarkastus on myös erittäin tärkeää joissakin tehtaissa. Grafiittierien testaaminen tekniikoilla, kuten ICP-OES tai XRF, voi estää kontaminoituneiden osien käytön. Se voi myös estää eri lähteistä peräisin olevien osien sekoittumisen samassa prosessivirrassa. Pinnoitteet, kuten SiC tai TaC, auttavat myös ratkaisemaan ongelman toimimalla esteenä grafiittiosan ja prosessiympäristön välillä. Niin kauan kuin pinnoite on hyvin kerrostunut ja kiinnittynyt alla olevaan grafiittisubstraattiin, se vähentää grafiittiosan vuorovaikutusta prosessiympäristön kanssa. Viimeisenä muttei vähäisimpänä on grafiittiosien käsittely ja varastointi. Grafiittiosat voivat kontaminoitua käsittelyn aikana likaisilla käsineillä, instrumenteilla tai varastoimalla niitä likaisella hyllyllä. Tämä pintakontaminaatio voi sitten päästä uuniin lämmitysjakson aikana. Grafiittiosien metallikontaminaation vähentäminen on monen pienen ponnistelun summa. Tarvitaan erittäin puhdasta materiaalia yhdistettynä hyviin käsittelytapoihin ja tiukkaan prosessinvalvontaan.

Miksi Veeco EPIK Systems vaatii erittäin matalahuokoisia grafiittimateriaaleja?

Veeco EPIK Systems -alustan grafiittiosat altistuvat puolijohdevalmistuksen ankarimmille prosessiolosuhteille. Nämä komponentit altistuvat korkeille lämpötiloille, aggressiiviselle kaasukemialle ja pitkille prosessisykleille. Erittäin matalahuokoinen grafiitti on siksi ratkaisevan tärkeää piikarbidiepitaksian eheyden ja puhtauden ylläpitämiseksi. Huokoisuus viittaa grafiittirungon sisällä oleviin pieniin sisäisiin huokosiin. Täysin sileästä pinnasta huolimatta sisäisissä huokosissa voi olla prosessikaasuja, jäämiä ja puhdistuskemikaaleja vangitsevia huokosia. Suuri huokoisuus tarkoittaa suurempaa sisäistä tilavuutta vangitsemista varten, jossa korkean lämpötilan altistuksen jälkeen materiaalista voidaan hitaasti poistaa kaasua. Tämä kaasunpoisto ei ole aina lineaarista ja voi johtaa purkauksiin, mikä tekee prosessista vaikeasti hallittavan. Piikarbidiepitaksiassa tämä on erityisen haitallista. Kun grafiittirungosta vapautuu kaasuja, ne voivat liittyä epitaksian kammion kaasuvirtaan, mikä osaltaan aiheuttaa ei-toivottuja hiukkasia. Hiukkaset löytävät tiensä kiekon pinnalle, vaikuttavat kiteen kasvuun ja voivat johtaa odottamattomiin vikoihin, kuten satunnaisiin kuoppiin, pinnan karheutumiseen tai kiekon paksuuden paikallisiin vaihteluihin. Tyypillinen skenaario on tuotantorampit, joissa puhdas tehdas vastaanottaa uusia grafiittiosia EPIK-järjestelmää varten. Alustavat tulokset saattavat olla hyväksyttäviä, mutta lämpösyklien toistuessa vikamäärät voivat kasvaa, eikä prosessiketjun, mukaan lukien kaasulinjat, venttiilit ja puhdistusprosessin vaiheet, tarkastus välttämättä paljasta mitään ilmeistä. Usein paljastuu, että syyllinen on matalahuokoinen grafiitti korkean lämpötilan alueella. Erittäin matalahuokoisen grafiitin valinta minimoi tehokkaasti tämän riskin rajoittamalla sisäisiä tilavuuksia, joihin loukkuun jääneet lajit voivat piiloutua, mikä minimoi äkillisten kaasun vapautumisen todennäköisyyden kuumennettaessa. Se liittyy myös parempaan mekaaniseen eheyteen. Erittäin matalahuokoisen grafiitin tiheämpi rakenne tarjoaa tyypillisesti paremman halkeilunkestävyyden, kun grafiitti käy läpi toistuvia lämpösyklejä. Lisäksi matalahuokoiset pinnat edistävät pinnoitteen parempaa eheyttä. Kun piikarbidi tai muut tulenkestävät materiaalit päällystetään näille grafiittipinnoille, ne tarttuvat hyvin vähemmän huokoiseen pintaan. Tämä johtuu todennäköisesti päällystetyn materiaalin ja grafiitin välisen sidoksen lisääntyneestä läheisyydestä, mikä puolestaan ​​parantaa pinnoitteiden kestävyyttä ja pitkäikäisyyttä sekä niiden irtoamis- ja lohkeilukykyä. Viime kädessä erittäin matalahuokoisen grafiitin valinta päivittäisessä valmistusskenaariossa on materiaaliominaisuus, mutta se tarjoaa erittäin suoraa hyötyä vakaiden, puhtaiden ja ennustettavien kiekkotulosten saavuttamisessa huippuluokan piikarbidiepitaksiaprosesseissa.