چرا گرافیت با خلوص بالا برای کنترل نقص اپیتکسی SiC حیاتی است؟

کیفیت ویفر کاربید سیلیکون (SiC) تولید شده حتی تحت تأثیر تغییرات ظریف در محیط رشد قرار می‌گیرد. ناحیه‌ای که بسیاری آن را در نظر نمی‌گیرند، گرافیت پوشش دهنده راکتور است. این ماده در برابر گرمای شدید موجود در داخل راکتور مقاومت می‌کند، در حالی که ویفر را در طول اپیتاکسی پشتیبانی و در موقعیت مناسب قرار می‌دهد. اگر گرافیت ناخالص یا دارای ساختار نامنظم باشد، ذرات کوچک مواد یا یک واکنش ناخواسته می‌تواند در طول فرآیند رشد رسوب کند. مشکلات کوچک روی سطح گرافیت‌ها می‌تواند به نقص‌های عمده ویفر تبدیل شود و در نتیجه کار بیشتر و بازده کمتر برای تولیدکنندگان تراشه را به همراه داشته باشد. بنابراین، وضعیت و تمیزی ... جاذب گرافیت مسئله‌ای مهم‌تر از آن چیزی است که اکثر افراد تصور می‌کنند.

چگونه خلوص گرافیت بر مشکلات ذرات در محفظه‌های اپیتاکسی تأثیر می‌گذارد؟

ذرات، نقص فراگیر ویفر در محفظه‌های اپیتاکسی SiC هستند و اغلب گرافیت را در این فرآیند درگیر می‌کنند. قطعات گرافیتی در ناحیه گرم راکتور SiC قرار دارند، ویفر را حمل می‌کنند و بر خطوط حرارتی تأثیر می‌گذارند. با استفاده از گرافیت با خلوص کمتر، ناخالصی‌های جزئی، مانند آلاینده‌های فلزی، خاکستر یا بقایای فرآیند، می‌توانند به مرور زمان در طول رشد در دمای بالا، از گرافیت به آرامی خارج شوند. ناخالصی‌های خارج شده از محفظه اغلب در محفظه قابل تشخیص نیستند، اما در نهایت روی سطح ویفر قرار می‌گیرند یا به بخشی از فاز گازی تبدیل می‌شوند. به عنوان مثال، در یک کاربرد، یک کارخانه برای صرفه‌جویی در هزینه، گرافیت با درجه پایین‌تر را انتخاب کرد. اگرچه در ابتدا هیچ مشکلی در طول دوره‌های کوتاه مشاهده نشد، اما پس از چندین چرخه اپیتاکسی سیلیکونی سوراخ‌های ریز تصادفی و نقاط ناهموار روی سطح ویفر مشاهده شد. منبع چنین نقص‌هایی به ذرات ریز ساطع شده از نگهدارنده یا گیرنده گرافیتی نسبت داده شد. این ذرات وارد محفظه رشد شده و به صورت نامطلوبی مانند دانه عمل می‌کنند. چگالی ناهموار قطعه گرافیتی نیز در هنگام گرم شدن به ایجاد ترک‌های ریز روی سطح قطعه کمک می‌کند و منجر به ریختن ذرات ریز به داخل محفظه در طول زمان می‌شود، حتی اگر قطعه تمیز به نظر برسد. بنابراین، نظارت بر منبع گرافیت و تاریخچه آن یک کار معمول در کارخانه‌ها برای جلوگیری از نقص‌های مربوط به ذرات است. گرافیت با خلوص بالا با مقدار کنترل‌شده خاکستر عموماً مطلوب است، به خصوص برای تولیدات طولانی مدت. تعداد چرخه‌های حرارتی قطعات نیز کنترل می‌شود زیرا مواد حتی پس از پردازش‌های اولیه خوب، ذرات را می‌ریزند. همچنین، روش نگهداری قطعات گرافیتی بر نقص‌ها تأثیر می‌گذارد. به عنوان مثال، روش‌های تمیزکاری تهاجمی به سطح گرافیت آسیب می‌رسانند و منجر به ترک‌های ریز می‌شوند. روش ترجیحی، یک فرآیند تمیزکاری ملایم و کنترل‌شده با حداقل تعامل فیزیکی با قطعات گرافیتی است. به دلایل اقتصادی، تعویض قطعات زودتر از موعد مورد انتظار ممکن است بهتر از مواجهه با افت بازده در مراحل بعدی باشد. به طور خلاصه، کنترل تولید ذرات در یک فرآیند اپیتاکسی SiC معمولی حول جزئیات کوچکی در مورد کیفیت مواد و شیوه‌های کار با آن می‌چرخد. مسئله کیفیت گرافیت در قلب این موضوع قرار دارد.

الزامات مواد برای قطعات و سوسپکتورهای اپیتاکسیال SiC با کیفیت بالا

برای اپیتاکسی SiC، قطعات موجود در راکتور چیزی بیش از «نگه داشتن» ویفر هستند. گیرنده‌ها، حامل‌های گرافیت و اجزای منطقه داغ در راکتور مستقیماً بر رشد کریستال تأثیر می‌گذارند. به همین دلیل است که مواد بسیار مورد نیاز هستند و یک نقص کوچک در نهایت به عنوان نقصی روی ویفر ظاهر می‌شود. پایداری حرارتی بالا یک نیاز اساسی است. قطعات برای مدت طولانی تا دمای بسیار بالا گرم می‌شوند (گاهی اوقات چرخه‌های گرمایش/سرمایش مکرر). ماده‌ای که نتواند پایداری را در این دماها حفظ کند، تغییر شکل می‌دهد و در نهایت ممکن است ترک بخورد. تغییرات جزئی در هندسه می‌تواند جریان گاز و توزیع گرما را به طور قابل توجهی تغییر دهد و منجر به رشد کریستال غیر یکنواخت روی سطح ویفر شود. خلوص یکی دیگر از عوامل حیاتی است. فرآیندهای SiC با کیفیت بالا به محتوای فلز بسیار کم و سطح خاکستر بسیار کم در اجزای مبتنی بر گرافیت نیاز دارند. در طول عملیات، فلزات کمیاب به آرامی از قطعات خارج می‌شوند، آلاینده‌ها می‌توانند به داخل محفظه پخش شوند و منجر به آلودگی ذرات یا نقص‌های کریستالی موضعی شوند. در برخی از کارخانه‌ها، خطای تصادفی در چیدمان به یک دسته از گیرنده‌های آلوده ردیابی شده است. ساختار سطح یک نیاز مهم است. یک سطح صاف و یکنواخت به کاهش ریزش ذرات در طول چرخه گرمایش/سرمایش کمک می‌کند. یک سطح غیریکنواخت یا منافذ درون ساختار سطح، در طول کار به طور مداوم تجزیه می‌شوند و بنابراین منبع ثابتی از ذرات را به داخل محفظه ایجاد می‌کنند. کیفیت پوشش نیز یکی دیگر از الزامات اساسی است. بسیاری از سوسپتورهای سطح بالا از پوشش SiC به عنوان یک لایه محافظ استفاده می‌کنند. پوشش باید به خوبی به ماده پایه بچسبد و در برابر کار طولانی مدت مقاومت کند. پیوند ضعیف و لایه لایه شدن، گرافیت پایه را مستقیماً در معرض محیط واکنش سخت قرار می‌دهد. ما اغلب این را در کاربردهای واقعی می‌بینیم: به عنوان مثال، یک کارخانه ویفر که برای تولید طولانی مدت کار می‌کند، مشاهده می‌کند که میزان نقص پس از صدها چرخه به طور پیوسته افزایش می‌یابد. بررسی سوسپتور، سایش جزئی پوشش و فرسایش لبه را نشان می‌دهد. تغییر یا تعویض قطعه، میزان نقص را به سطح قابل قبولی بازمی‌گرداند. انتخاب مواد مناسب فقط مربوط به عملکرد اولیه قطعات نیست، بلکه پایداری ماده در چرخه‌های مکرر است.

اثرات ساختار دانه بر پایداری حرارتی در سیستم‌های AIXTRON G10

ساختار دانه‌ای اجزای گرافیتی درون یک SiC با دمای بالا رشد اپیتاکسی سیستمی مانند AIXTRON G10، تأثیر زیادی بر پایداری حرارتی دارد. این موضوع به تغییرات ابعادی، حفظ شکل و پاسخ به چرخه‌های حرارتی مربوط می‌شود. گرافیت یک جامد یکپارچه نیست. این ماده از کریستالیت‌ها یا دانه‌های متعددی تشکیل شده است. کریستالیت‌های منفرد ممکن است جهت‌گیری‌های متفاوتی داشته باشند. هنگامی که کنترل ضعیفی بر اندازه دانه در قطعه گرافیتی وجود داشته باشد، توزیع ناهموار گرما ایجاد می‌شود. نواحی قطعه با سرعت‌های مختلف گرم و سرد می‌شوند. این امر باعث ایجاد تنش داخلی در سطح میکرو می‌شود. به آرامی با گذشت زمان، این تنش داخلی باعث تاب برداشتن یا اعوجاج در قطعاتی مانند گیرنده یا حامل ویفر می‌شود. این فرآیند به راحتی در طول تولید قابل شناسایی است. معمولاً زمانی ظاهر می‌شود که خط تولید ویفر در دماهای بالا کار می‌کند. کیفیت ویفر پس از صدها چرخه حرارتی شروع به کاهش می‌کند. تغییرات در ضخامت افزایش می‌یابد و نقص‌های لبه به طور منظم‌تری ظاهر می‌شوند. پس از بررسی این قطعات، معمولاً نشانه‌هایی از تاب برداشتن یا خستگی مواد وجود دارد. ساختارهای دانه ریز با توزیع کریستالیت کنترل شده، پایداری حرارتی بسیار بهتری نسبت به دانه‌های درشت یا ساختارهای تصادفی خواهند داشت. این امر منجر به انتقال حرارت یکنواخت‌تر و کاهش نقاط تنش موضعی می‌شود. با ساختار دانه‌بندی مناسب، قطعات حتی در صدها چرخه حرارتی نیز در برابر تاب برداشتن مقاومت خواهند کرد. ساختارهای درشت یا ساختارهای دانه‌بندی با توزیع ضعیف منجر به ایجاد نقاط ضعف در داخل قطعه می‌شوند و امکان ایجاد ترک‌های ریز و در نهایت آزاد شدن ذرات به داخل محفظه را فراهم می‌کنند. یکی دیگر از مسائل کلیدی که باید در نظر گرفته شود، مقاومت در برابر شوک حرارتی است. نقاطی وجود دارد که قطعه تحت تغییر دمای قابل توجهی قرار می‌گیرد، مانند بارگذاری در راکتور یا هنگام خارج کردن. اگر مرزهای ضعیفی بین دانه‌ها وجود داشته باشد، ممکن است ترک‌های ریز در امتداد خطوط دانه تشکیل شوند. اگرچه این امر معمولاً منجر به خرابی قطعه نمی‌شود، اما به این نقاط ضعف اجازه می‌دهد تا در ماده تشکیل شوند و منجر به مشکلات قابلیت اطمینان در آینده شوند. اکثر تولیدکنندگان، طول عمر قطعه را هم بر اساس ساعات استفاده شده و هم تعداد چرخه‌های حرارتی و کل عملیات حرارتی اندازه‌گیری می‌کنند. قطعاتی که ساختار دانه‌بندی آنها به خوبی مهندسی شده است، عمر طولانی‌تر و نتایج پایدارتری در طول زمان دارند.

کاهش آلودگی فلزی در قطعات گرافیتی با خلوص بالا

یکی از مشکلات "نادیده" اما حیاتی در هر قطعه گرافیتی، از جمله در فرآیند اپیتاکسی SiC، آلودگی فلزی است. حتی مقادیر بسیار کم فلزات در یک قطعه گرافیتی می‌تواند به فرآیند نفوذ کرده و به منبعی از نقص‌های دشوار در یک راکتور اپیتاکسی SiC مانند AIXTRON G10 تبدیل شود. چنین فلزاتی معمولاً از مواد اولیه یا مراحل مختلف پردازش مربوط به ساخت قطعه گرافیتی سرچشمه می‌گیرند. عناصری مانند آهن، نیکل، کلسیم و سدیم رایج هستند و در دمای اتاق در توده گرافیت محبوس می‌مانند، با این حال، در دمای فرآیند بالا که در اپیتاکسی SiC استفاده می‌شود، این عناصر ممکن است متحرک شوند. این فلزات کمیاب در نهایت می‌توانند در طول چرخه‌های گرمایش/سرمایش مکرر در منطقه گرم، یعنی سوسپکتور یا خود حامل ویفر، به صورت گاز خارج شوند یا به سطح مهاجرت کنند. یک مورد معمول می‌تواند به این صورت باشد: یک کارخانه، یک دسته تولید را با استفاده از قطعات گرافیتی جدید آغاز می‌کند. چند ویفر اول خوب هستند و هیچ نقصی نشان نمی‌دهند، اما پس از یک دوره مشخص، نقص‌های کوچک شروع به ظاهر شدن می‌کنند. آنها معمولاً گودال‌های ریز، نقص‌های تصادفی در پشته یا رویدادهای ذرات غیرقابل توضیح هستند. به راحتی می‌توان به اشتباه به جریان گاز اشتباه یا یک رویداد آلودگی در طول تمیز کردن محفظه شک کرد. اما تجزیه و تحلیل دقیق اغلب منجر به آزادسازی آهسته فلزات کمیاب از اجزای گرافیتی می‌شود. کنترل خلوص گرافیت یکی از نکات کلیدی است. برای اجزای حیاتی، گرافیت خالص شده در دمای بالا با محتوای خاکستر کم همیشه ترجیح داده می‌شود. این مرحله خالص‌سازی، اکثر باقیمانده‌های فلزی را حذف می‌کند. چنین گرافیتی می‌تواند عناصر را برای مدت طولانی‌تری حتی تحت چرخه‌های گرمایش/سرمایش مکرر به دام بیندازد. بازرسی اولیه قطعات گرافیتی نیز در برخی از کارخانه‌ها بسیار مهم است. آزمایش دسته‌های گرافیتی با تکنیک‌هایی مانند ICP-OES یا XRF می‌تواند از استفاده از قطعات آلوده جلوگیری کند. همچنین ممکن است از مخلوط کردن قطعات از منابع مختلف در همان جریان فرآیند جلوگیری کند. پوشش‌هایی مانند SiC یا TaC نیز با عمل به عنوان مانعی بین قطعه گرافیتی و محیط فرآیند به حل مشکل کمک می‌کنند. تا زمانی که پوشش به خوبی رسوب داده شده و به زیرلایه گرافیتی زیرین متصل شود، تعامل قطعه گرافیتی با محیط فرآیند کاهش می‌یابد. نکته آخر اما نه کم‌اهمیت‌تر، جابجایی و نگهداری قطعات گرافیتی است. قطعات گرافیتی می‌توانند در حین جابجایی با دستکش‌ها، ابزار کثیف یا با نگهداری در قفسه‌های کثیف آلوده شوند. این آلودگی سطحی می‌تواند در طول چرخه گرمایش وارد کوره شود. برای کاهش آلودگی فلزی قطعات گرافیتی، به مجموعه‌ای از تلاش‌های کوچک نیاز است. یک ماده با خلوص بالا همراه با شیوه جابجایی خوب و کنترل دقیق فرآیند مورد نیاز است.

چرا سیستم‌های Veeco EPIK به مواد گرافیتی با تخلخل بسیار کم نیاز دارند؟

قطعات گرافیتی در پلتفرم Veeco EPIK Systems یکی از سخت‌ترین شرایط فرآیندی در تولید نیمه‌هادی‌ها را تجربه می‌کنند. این قطعات شرایط دمای بالا، شیمی گاز تهاجمی و چرخه‌های فرآیند طولانی را تجربه می‌کنند. بنابراین، گرافیت با تخلخل بسیار کم برای حفظ یکپارچگی و تمیزی اپیتاکسی SiC بسیار مهم است. تخلخل به منافذ کوچک و داخلی موجود در خود بدنه گرافیت اشاره دارد. با وجود سطح کاملاً صاف، منافذ داخلی می‌توانند گازهای فرآیند، باقیمانده‌ها و شیمی تمیزکننده را به دام بیندازند. تخلخل بالا به معنای حجم داخلی بیشتر برای به دام انداختن است، جایی که پس از قرار گرفتن در معرض دمای بالا، مواد می‌توانند به آرامی گاززدایی شوند. این گاززدایی همیشه خطی نیست و ممکن است منجر به انفجار شود و کنترل فرآیند را دشوار کند. در اپیتاکسی SiC، این امر به ویژه مضر است. هنگامی که گازها از بدنه گرافیت آزاد می‌شوند، می‌توانند در جریان گاز درون محفظه اپیتاکسی گنجانده شوند و به ایجاد ذرات ناخواسته کمک کنند. ذرات به سطح ویفر راه پیدا می‌کنند و بر رشد کریستال تأثیر می‌گذارند و می‌توانند منجر به نقص‌های غیرمنتظره‌ای مانند حفره‌های تصادفی، زبری سطح یا تغییرات موضعی در ضخامت ویفر شوند. یک سناریوی معمول که با آن مواجه می‌شویم، در رمپ‌های تولید است که در آن یک کارخانه تمیز قطعات گرافیتی جدید را برای یک سیستم EPIK دریافت می‌کند. نتایج اولیه ممکن است قابل قبول باشد، با این حال با تکرار چرخه‌های حرارتی، نرخ نقص ممکن است افزایش یابد و بازرسی از قطار فرآیند شامل خطوط گاز، شیرها و مراحل فرآیند تمیز کردن ممکن است هیچ چیز واضحی را نشان ندهد. اغلب مشخص می‌شود که مقصر، گرافیت با تخلخل کم در منطقه دمای بالا است. انتخاب گرافیت با تخلخل بسیار کم، با محدود کردن حجم‌های داخلی که گونه‌های به دام افتاده می‌توانند در آن پنهان شوند، به طور موثری این خطر را به حداقل می‌رساند و احتمال انتشار ناگهانی گاز هنگام گرم شدن را به حداقل می‌رساند. همچنین با یکپارچگی مکانیکی بهتر همراه است. ساختار متراکم‌تر گرافیت با تخلخل بسیار کم معمولاً مقاومت بیشتری در برابر ترک خوردگی ایجاد می‌کند زیرا گرافیت تحت چرخه‌های حرارتی مکرر قرار می‌گیرد. علاوه بر این، سطوح با تخلخل کم، یکپارچگی پوشش را افزایش می‌دهند. وقتی SiC یا سایر مواد نسوز روی این سطوح گرافیتی پوشش داده می‌شوند، به خوبی به سطح کمتر متخلخل می‌چسبند. این احتمالاً به دلیل افزایش نزدیکی پیوند بین ماده پوشش داده شده و گرافیت است که به نوبه خود دوام و طول عمر پوشش‌ها و پتانسیل آنها برای پوسته پوسته شدن یا پوسته پوسته شدن را افزایش می‌دهد. در نهایت، انتخاب گرافیت با تخلخل بسیار کم در سناریوی ساخت روزمره، در حالی که یک ویژگی ماده است، مزیت بسیار مستقیمی در دستیابی به نتایج ویفر پایدار، تمیز و قابل پیش‌بینی در فرآیندهای اپیتاکسی SiC با کیفیت بالا فراهم می‌کند.