Prečo je grafit potiahnutý karbidom kremíka pre epitaxiu polovodičov?

V polovodičovej epitaxii sa grafit vyberá len zriedka, pretože dokáže odolávať vysokej teplote. Jeho skutočná hodnota spočíva v kombinácii opracovateľnosti, tepelnej odozvy, elektrického správania a schopnosti vytvárať zložité komponenty reaktora, ako sú sudové susceptory, palacinkové susceptory, držiaky na jeden plátok a nosiče MOCVD. Napriek tomu ten istý grafitový povrch, ktorý poskytuje tieto výhody, nie je vždy vhodný na priame a opakované vystavenie epitaxnému prostrediu. To je dôvod, prečo je veľa kritických grafitových komponentov chránených hustotouchemický povlak z karbidu kremíka nanesený naparovaním, čím vzniká to, čo sa bežne označuje akoGrafit potiahnutý SiC.

Koncepcia konštrukcie je jednoduchá, ale dôležitá: grafitové telo poskytuje štrukturálnu a tepelnú platformu, zatiaľ čo vrstva CVD SiC sa stáva povrchom smerujúcim k procesu. Výsledný komponent sa preto musí považovať skôr za jeden integrovaný materiálový systém než za grafit s voliteľnou ochrannou vrstvou.

Prečo je grafit dôležitý v epitaxných reaktoroch

Epitaxný susceptor vykoná podstatne viac práce ako jednoduché držanie plátku. Určuje mechanickú polohu plátku, podieľa sa na prenose tepla a v závislosti od konštrukcie reaktora interaguje s rotáciou, indukčným ohrevom a prietokom plynu. Malé zmeny v hĺbke vrecka, rovinnosti, povrchovom profile alebo tepelnom správaní môžu zmeniť miestne prostredie plátku a v konečnom dôsledku ovplyvniť epitaxnú uniformitu.

Táto požiadavka vysvetľuje ďalšie používanie jemnozrnného a izostatického grafitu. Grafit sa dá presne opracovať do geometrií, ktoré by bolo oveľa ťažšie alebo drahšie vyrobiť z mnohých hustých keramických materiálov. Poskytuje tiež tepelné a elektrické charakteristiky kompatibilné s niekoľkými koncepciami reaktorov s horúcou stenou a indukčne vyhrievanými reaktormi.

Pre komerčné kremík aSiC epitaxia, SGL Carbon identifikuje vysokopevnostný izostatický grafit ako základný materiál pre potiahnuté susceptory a poznamenáva, že kvalita materiálu susceptora má priamy vplyv na kvalitu epitaxnej vrstvy. Prísne rozmerové tolerancie, homogénny povlak a čistota sa preto považujú skôr za súvisiace požiadavky než za nezávislé špecifikácie.

Problém je v tom, že materiál vhodný na stavbu tepelného telesa nie je nevyhnutne optimálnym povrchom pre kontakt s procesnou atmosférou. Toto rozlíšenie je základným dôvodom použitia karbidu kremíka.

Prečo čistý grafit nie je ideálnym povrchom určeným na spracovanie

A holý grafitový komponentpracuje v prostredí s vysokými teplotami, reaktívnymi prekurzorovými plynmi a opakovaným ohrevom a chladením. Za týchto podmienok sa povrch môže postupne stať súčasťou chémie reaktora.

Pri epitaxii karbidu kremíka je tento problém obzvlášť jasný. Publikovaná práca o SiC CVD na báze chloridov opisuje grafitové susceptory potiahnuté SiC špecificky, aby sa zabránilo uvoľňovaniu nečistôt a ďalších uhľovodíkov z horúceho grafitu počas rastu. Rovnaká práca uvádza, že degradácia povlaku SiC na horúcich miestach môže ovplyvniť reprodukovateľnosť medzi jednotlivými sériami, čo ilustruje, že stav povrchu susceptora sa môže stať súčasťou samotného procesu.

Riziko je teda širšie ako jednoduchá oxidácia. Priama expozícia môže viesť k chemickému napadnutiu, postupnému zdrsneniu povrchu, uvoľneniu častíc, vystaveniu stopovým nečistotám alebo nežiaducim reakciám medzi grafitom a procesným plynom. Čistiace cykly môžu zaviesť ďalší stresový mechanizmus, pretože ten istý komponent musí opakovane prežiť depozičnú chémiu aj chémiu čistenia komory.

Pre výrobu polovodičov to vytvára nežiaducu spätnú väzbu. Degradácia povrchu mení stav susceptora; meniaci sa susceptor môže modifikovať lokálnu chemickú a tepelnú hranicu okolo plátku; a meniace sa hranice môžu znížiť opakovateľnosť procesu.

Účelom potiahnutia grafitu preto nie je len urobiť diel „odolnejší voči korózii“. Je to zachovaťhranica orientovaná na proces stabilnejšia v čase.

CVD SiC ako funkčné rozhranie medzi grafitom a procesom

CVD SiC povlak vytvára hustý povrch karbidu kremíka na opracovanom grafitovom tele. Komerčné povlaky SiC sa bežne nanášajú chemickým naparovaním pri teplotách nad približne 1 200 °C. SGL Carbon uvádza typické teploty nanášania 1 200 až 1 300 ° C a špecificky zdôrazňuje, že správanie grafitového substrátu pri tepelnej rozťažnosti by malo byť prispôsobené povlaku, aby sa minimalizovalo tepelné namáhanie.

Po nanesení vrstva SiC pôsobí ako funkčné rozhranie medzi grafitom a atmosférou reaktora. Jeho chemická odolnosť znižuje priamy útok na podkladový uhlík. Jeho hustota obmedzuje priame vystavenie grafitu procesnému prostrediu. Jeho vysoká čistota poskytuje lepšie kontrolovaný povrch v blízkosti plátku a jeho mechanická integrita pomáha znižovať tvorbu častíc súvisiacu s eróziou.

Tieto výhody závisia od toho, že povlak zostane neporušený. Povlak so slabou rovnomernosťou hrúbky, lokálnymi dierkami, zvyškovým napätím alebo slabou priľnavosťou môže nakoniec prasknúť alebo sa odštiepiť. Keď sa tak stane, grafit sa opäť odkryje a ochranná funkcia sa lokálne stratí.

Z tohto dôvodu samotná hrúbka povlaku nie je zmysluplným ukazovateľom kvality. Užitočnejšie technické parametre sú kombinácioučistota, hustota, drsnosť povrchu, rovnomernosť hrúbky, mikroštruktúra, kompatibilita substrátu a integrita rozhrania.

Mersen vo svojom návode na výrobu polovodičových zariadení dodržiava rovnaký prístup k materiálovému systému. Popisuje ultračistý grafit potiahnutý SiC pre epitaxiu a MOCVD a špecificky zdôrazňuje kompatibilitu CTE medzi grafitom a karbidom kremíka ako podmienku pre dlhodobú integritu povlaku.

Z praktického hľadiska nie je ideálny komponent ten s najhrubšou vrstvou SiC. Je to ten, v ktorom sú kvalita grafitu, architektúra povlaku, tolerancie obrábania a prevádzkové podmienky dostatočne zladené, aby zostali stabilné počas opakovaných procesných cyklov.

Ako ovplyvňuje geometria a rovinnosť susceptora rovnomernosť teploty plátku?

Hodnota susceptora potiahnutého SiC sa stáva jasnejšou, keď je komponent vnímaný ako súčasť tepelného poľa a nie iba ako spotrebný materiál.

Energetická dráha v zjednodušenom epitaxnom systéme môže byť reprezentovaná ako:

Zdroj tepla → Grafitový susceptor potiahnutý SiC → Tepelná hranica plátku → Teplota plátku → Epitaxný rast

Na každom rozhraní záleží. Ak sa susceptor zdeformuje, ak vrecká zmenia rozmery, ak sa usadeniny hromadia nerovnomerne alebo ak povlak lokálne zlyhá, podmienky, ktorým čelí plátok, sa môžu zmeniť, aj keď nominálna receptúra ​​reaktora zostane nezmenená.

To je dôvod, prečo sú presné obrábanie a kvalita povrchovej úpravy tesne prepojené. SGL Carbon kladie dôraz na profil vreciek, rovinnosť, povrchovú úpravu, čistotu a homogénny povlak SiC pre kremíkové epitaxné susceptory a tiež spája vlastnosti susceptora s kvalitou epitaxnej vrstvy.

Podobný vzťah existuje v MOCVD. Nosiče plátkov otáčajú substráty prostredníctvom riadeného tepelného a prekurzorového poľa a tepelné správanie nosiča prispieva k distribúcii teploty plátku. SGL Carbon poznamenáva, že na riadenie výkonu nosiča v aplikáciách MOCVD súvisiacich s LED a GaN sa používa vysoko čistý grafit, homogénne povlaky SiC a prísne rozmerové tolerancie.

Bolo by preto nepresné tvrdiť, že samotný povlak SiC „zlepšuje epitaxný výťažok“. Obhájiteľnejším technickým záverom je, že stabilný, dobre navrhnutý grafitový komponent potiahnutý SiC pomáha udržiavaťteplotné, chemické a kontaminačné okrajové podmienkypotrebné pre opakovateľnú epitaxiu.

Toto rozlíšenie je dôležité pre technickú presnosť aj kvalifikáciu dodávateľa.

Prečo sa požiadavky líšia medzi kremíkovou a SiC epitaxiou

Koncept základného materiálu je podobný pre kremíkovú a SiC epitaxiu, ale závažnosť operačného prostredia je odlišná.

Pri kremíkovej epitaxii si susceptory s vysokou čistotou musia zachovať rozmerovú presnosť, tepelnú jednotnosť a čistý procesný povrch. Komerční dodávatelia kladú veľký dôraz na rovinnosť, geometriu vreciek, toleranciu obrábania a homogenitu povlaku, pretože susceptor tvorí súčasť systému ohrevu plátkov.

Epitaxia SiC zvyčajne spôsobuje väčšie tepelné a chemické namáhanie horúcej zóny. Napríklad rast SiC na báze chloridov môže v publikovaných štúdiách reaktorov fungovať pri teplotách okolo 1 570 °C. Za takýchto podmienok sa degradácia povlaku na lokalizovaných horúcich miestach stáva obzvlášť relevantnou, pretože zmeny na povrchu susceptora môžu ovplyvniť reprodukovateľnosť počas viacerých cyklov.

Vhodnou otázkou teda nie je, či je povlak SiC „lepší“ pre jeden proces ako pre iný. Správna otázka je, či je architektúra povlaku kompatibilná so skutočnýmteplota, chémia plynov, tepelný cyklus, metóda čistenia a geometria komponentov.

Rovnaká logika platí pri hodnotení alternatívnych povlakov, ako je TaC, alebo pri zvažovaní pevných komponentov SiC. Výber materiálu by sa mal riadiť skôr prostredím procesu než všeobecnou hierarchiou materiálov.

Špecifikácia grafitu potiahnutého SiC ako konštrukčného komponentu

Technicky zmysluplná špecifikácia začína skôr reaktorom než povlakom.

Dodávateľ by mal pochopiť proces epitaxie, konfiguráciu reaktora, veľkosť plátku, geometriu komponentov, prevádzkovú teplotu, procesné plyny a čistiacu chémiu pred definovaním požiadaviek na grafit a povlak. Výkres komponentu by potom mal stanoviť geometriu kapsy, rovinnosť, kritické rozmery a povrchovú úpravu. Až po pochopení týchto požiadaviek by sa mala dokončiť hrúbka povlaku, rovnomernosť, drsnosť a kritériá kontroly.

Tento prístup mení RFQ z požiadavky na komoditu –

"Citát aGrafitový susceptor potiahnutý SiC.“

—podľa technickej špecifikácie postavenej na skutočnom procese.

V prípade epitaxných komponentov nie je cieľom jednoducho maximalizovať životnosť povlaku. Cieľom je zachovať komponent, ktorý podporujestabilná teplota plátku, kontrolovaná kontaminácia, nízke riziko častíc, rozmerová konzistencia a opakovateľné podmienky rastupočas plánovaného servisného obdobia.

FAQ

1. Prečo je grafit v epitaxii potiahnutý karbidom kremíka?

Grafit poskytuje opracovateľnosť a užitočné tepelné vlastnosti, zatiaľ čo CVD SiC poskytuje chemicky stabilný povrch s vysokou čistotou. Táto kombinácia umožňuje zložitým grafitovým susceptorom pracovať v náročných polovodičových prostrediach.

2. Prečo nepoužívať holý grafit?

Čistý grafit môže interagovať s reaktívnymi plynmi, vystavovať nečistoty, zdrsňovať alebo časom vytvárať častice. Hustý povlak SiC oddeľuje grafit od procesnej atmosféry.

3. Eliminuje povlak SiC kontamináciu?

Nie. Znižuje riziko kontaminácie súvisiacej s grafitom, keď povlak zostáva neporušený, ale kontaminácia môže pochádzať aj z plynov, povrchov komôr, usadenín, manipulácie a iných komponentov reaktora.

4. Ovplyvňuje povlak SiC tepelný výkon?

áno. Povlak, grafitový substrát, geometria komponentu a stav povrchu spolu ovplyvňujú tepelnú hranicu medzi susceptorom a plátkom. Povlak by sa preto mal hodnotiť ako súčasť kompletného komponentu.

5. Aké informácie by mali byť zahrnuté v RFQ?

Užitočná RFQ by mala zahŕňať model reaktora, typ procesu, veľkosť plátku, výkres komponentov, prevádzkovú teplotu, procesné a čistiace plyny, požiadavky na grafit, špecifikáciu povlaku, kritické tolerancie, povrchovú úpravu, kontrolné kritériá a požadované množstvo.

Referencie

1. SGL Carbon. Grafitové susceptory a komponenty pre kremíkovú a SiC epitaxiu.

2. SGL Carbon. Povlak SIGRAFINE® SiC.  

3. Mersen. Zariadenia na spracovanie polovodičov — Ultra-čistý grafit potiahnutý karbidom kremíka. Pedersen, H. a kol. Rast epitaxie SiC pomocou CVD na báze chloridu. Journal of Crystal Growth.