Por qué el grafito de alta pureza es fundamental para el control de defectos en la epitaxia de SiC

La calidad de la oblea de carburo de silicio (SiC) producida se ve influenciada incluso por cambios sutiles en el entorno de crecimiento. Un área que muchos no consideran es el revestimiento de grafito del reactor. Este soporta el intenso calor que se encuentra dentro del reactor mientras sostiene y posiciona la oblea durante la epitaxia. Si el grafito es impuro o tiene una estructura irregular, se pueden depositar pequeñas partículas de material o una reacción no deseada durante todo el proceso de crecimiento. Pequeños problemas en la superficie del grafito pueden convertirse en defectos importantes en la oblea, lo que resulta en más trabajo y menores rendimientos para los fabricantes de chips. Por lo tanto, el estado y la limpieza del susceptor de grafito Es un tema más importante de lo que la mayoría supone.

¿Cómo influye la pureza del grafito en los problemas de partículas en las cámaras de epitaxia?

Las partículas son un defecto generalizado en las obleas de las cámaras de epitaxia de SiC y, con frecuencia, involucran grafito en el proceso. Las partes de grafito se encuentran en la zona caliente del reactor de SiC, transportando la oblea e influyendo en los contornos térmicos. Con el uso de grafito menos puro, las impurezas traza, como contaminantes metálicos, cenizas o residuos del proceso, pueden desgasificarse lentamente del grafito con el tiempo durante el crecimiento a alta temperatura. Las impurezas desgasificadas a menudo son indetectables en la cámara, pero eventualmente se depositan en la superficie de la oblea o se convierten en parte de la fase gaseosa. Por ejemplo, en una aplicación, una fábrica optó por un grafito de menor grado para ahorrar costos. Aunque inicialmente no se observaron problemas durante las series cortas, después de varios ciclos de epitaxia de Sic Se observaron poros aleatorios y zonas rugosas en la superficie de la oblea. El origen de estos defectos se atribuyó a micropartículas emitidas por el soporte o susceptor de grafito. Estas partículas entraban en la cámara de crecimiento y actuaban como núcleos de cristalización de forma indeseable. La densidad desigual de la pieza de grafito también contribuía a la formación de microfisuras en su superficie al calentarse, lo que provocaba el desprendimiento de partículas finas en la cámara con el tiempo, incluso si la pieza parecía limpia. Por lo tanto, el control del origen del grafito y su historial es una tarea rutinaria en las fábricas para evitar defectos relacionados con partículas. Generalmente, se prefiere un grafito de alta pureza con una cantidad controlada de cenizas, especialmente para producciones a largo plazo. También se controla el número de ciclos térmicos de las piezas, ya que los materiales desprenden partículas incluso después de un buen procesamiento inicial. Además, el método de mantenimiento de las piezas de grafito influye en los defectos. Por ejemplo, los procedimientos de limpieza agresivos dañan la superficie del grafito y provocan microfisuras. El método preferido es un proceso de limpieza suave y controlado con una interacción física mínima con las piezas de grafito. Por razones económicas, sustituir las piezas antes de lo previsto podría ser mejor que lidiar con la pérdida de rendimiento en etapas posteriores. En resumen, el control de la generación de partículas en un proceso típico de epitaxia de SiC gira en torno a pequeños detalles sobre la calidad del material y las prácticas de manipulación. La calidad del grafito es fundamental.

Requisitos de materiales para componentes y susceptores epitaxiales de SiC de alta gama

Para la epitaxia de SiC, las piezas en el reactor son más que solo "sostener" la oblea. Los susceptores, los soportes de grafito y los componentes de la zona caliente en el reactor influyen directamente en el crecimiento del cristal. Por eso los materiales son muy exigentes y una pequeña imperfección eventualmente se manifestará como un defecto en la oblea. La alta estabilidad térmica es un requisito fundamental. Las piezas se calientan a temperaturas muy altas durante mucho tiempo (a veces ciclos repetitivos de calentamiento/enfriamiento). Un material que no puede mantener la estabilidad a estas temperaturas se deformará y eventualmente puede agrietarse. Ligeros cambios en la geometría pueden cambiar significativamente el flujo de gas y la distribución del calor, lo que resulta en un crecimiento no uniforme del cristal en la superficie de la oblea. La pureza es otro factor crítico. Los procesos de SiC de alta gama requieren un contenido de metal muy bajo y un nivel de ceniza muy bajo en los componentes a base de grafito. Durante la operación, los metales traza se lixiviarán lentamente de las piezas, los contaminantes pueden difundirse en la cámara y resultar en contaminación de partículas o defectos de cristal locales. En algunas fábricas, se ha rastreado una falla de apilamiento aleatoria a un solo lote de susceptores contaminados. La estructura de la superficie es un requisito importante. Una superficie lisa y uniforme ayudará a reducir el desprendimiento de partículas durante el ciclo de calentamiento/enfriamiento. Una superficie no uniforme, o poros dentro de la estructura superficial, se degradará continuamente durante el funcionamiento y, por lo tanto, generará una fuente constante de partículas en la cámara. La calidad del recubrimiento también es otro requisito esencial. Muchos susceptores de alta gama utilizan un recubrimiento de SiC como capa protectora. El recubrimiento debe adherirse bien al material base y debe soportar un funcionamiento prolongado. Una mala adhesión y la deslaminación expondrán directamente el grafito base al entorno de reacción agresivo. A menudo vemos esto en aplicaciones reales: por ejemplo, una fábrica de obleas que opera para lotes de producción largos observará que la tasa de defectos aumenta constantemente después de cientos de ciclos. La inspección del susceptor revelará un ligero desgaste del recubrimiento y erosión de los bordes. Cambiar o reemplazar el componente devolverá la tasa de defectos a un nivel aceptable. Elegir los materiales adecuados no se trata solo del rendimiento inicial de los componentes, sino de la estabilidad del material en ciclos repetidos.

Efectos de la estructura granular en la estabilidad térmica en sistemas AIXTRON G10

La estructura granular de los componentes de grafito dentro de un SiC de alta temperatura crecimiento epitaxial El sistema, como el AIXTRON G10, influye enormemente en la estabilidad térmica. Esto se relaciona con los cambios dimensionales, la retención de la forma y la respuesta a los ciclos térmicos. El grafito no es un sólido monolítico. Consta de numerosos cristalitos o granos. Los cristalitos individuales pueden tener diferentes orientaciones. Cuando hay un control deficiente del tamaño del grano dentro del componente de grafito, surge una distribución desigual del calor. Las áreas del componente se calientan y enfrían a diferentes velocidades. Esto crea tensión interna a nivel microscópico. Lentamente, con el tiempo, esta tensión interna causa deformación o distorsión en piezas como el susceptor o el portador de la oblea. Este proceso es fácilmente identificable durante la producción. Normalmente aparece cuando la línea de obleas opera a altas temperaturas. La calidad de la oblea comienza a variar después de cientos de ciclos térmicos. Las variaciones en el espesor aumentan y los defectos de borde comienzan a aparecer con mayor regularidad. Una vez examinadas estas piezas, generalmente presentan signos de deformación o fatiga del material. Las estructuras de grano fino con una distribución controlada de cristalitos tendrán una estabilidad térmica mucho mejor que los granos gruesos o las estructuras aleatorias. Esto dará como resultado una transferencia de calor más uniforme y puntos de tensión localizados reducidos. Con una estructura de grano adecuada, las piezas resistirán la deformación incluso después de cientos de ciclos térmicos. Las estructuras gruesas o las estructuras de grano mal distribuidas dan como resultado puntos débiles dentro de la pieza, permitiendo microfisuras y eventual liberación de partículas en la cámara. Otro aspecto clave a considerar es la resistencia al choque térmico. Hay momentos en los que la pieza experimenta un cambio de temperatura significativo, como al cargarla en el reactor o al retirarla. Si hay límites débiles entre los granos, pueden formarse microfisuras a lo largo de las líneas de grano. Si bien esto no suele resultar en la falla de la pieza, permite que estas debilidades se formen en el material, lo que lleva a futuros problemas de confiabilidad. La mayoría de las fábricas controlan la vida útil de las piezas tanto por las horas de uso como por el número de ciclos térmicos y el tratamiento térmico total. Las piezas con una estructura de grano bien diseñada tienen una vida útil más larga y resultados más consistentes a lo largo del tiempo.

Reducción de la contaminación metálica en componentes de grafito de alta pureza

Uno de los problemas "invisibles" pero críticos en cualquier pieza de grafito, incluido el proceso de epitaxia de SiC, es la contaminación metálica. Incluso trazas mínimas de metales en una pieza de grafito pueden filtrarse al proceso y convertirse en una fuente de defectos difíciles de rastrear en un reactor de epitaxia de SiC como el AIXTRON G10. Estos metales normalmente provienen de las materias primas o de los diversos pasos de procesamiento involucrados en la fabricación del componente de grafito. Elementos como el hierro, el níquel, el calcio y el sodio son comunes y permanecen atrapados en la masa del grafito a temperatura ambiente, sin embargo, a la temperatura elevada del proceso utilizada en la epitaxia de SiC, estos elementos pueden volverse móviles. Estos metales traza pueden eventualmente desgasificarse o migrar a la superficie durante los ciclos repetidos de calentamiento/enfriamiento en la zona caliente, es decir, el susceptor o el propio portador de la oblea. Un caso típico sería como este: una fábrica comienza un lote de producción utilizando piezas de grafito nuevas. Las primeras obleas están bien y no presentan defectos, pero después de un cierto período, comienzan a aparecer pequeños defectos. Suelen ser pequeñas cavidades, fallos de apilamiento aleatorios o eventos de partículas inexplicables. Es fácil sospechar erróneamente de un flujo de gas incorrecto o un evento de contaminación durante la limpieza de la cámara. Pero un análisis detallado a menudo lleva a la liberación lenta de metales traza de los componentes de grafito. Controlar la pureza del grafito es una de las claves. Para componentes críticos, siempre se prefiere el grafito purificado a alta temperatura con un bajo contenido de cenizas. Este paso de purificación elimina la mayor parte del residuo metálico. Dicho grafito puede mantener los elementos atrapados durante más tiempo, incluso bajo ciclos repetidos de calentamiento/enfriamiento. La inspección de entrada de piezas de grafito también es muy importante en algunas fábricas. Probar los lotes de grafito con técnicas como ICP-OES o XRF puede evitar el uso de piezas contaminadas. También puede evitar la mezcla de piezas de diferentes fuentes dentro del mismo flujo de proceso. Los recubrimientos como SiC o TaC también ayudan a resolver el problema al actuar como una barrera entre la pieza de grafito y el entorno del proceso. Siempre que el recubrimiento esté bien depositado y adherido al sustrato de grafito subyacente, reducirá la interacción de la pieza de grafito con el entorno del proceso. Por último, pero no menos importante, está la manipulación y el almacenamiento de las piezas de grafito. Estas pueden contaminarse durante su manipulación con guantes o instrumentos sucios, o al almacenarse en un estante sucio. Esta contaminación superficial puede llegar al horno durante el ciclo de calentamiento. Para reducir la contaminación metálica de las piezas de grafito, se requiere la suma de muchos pequeños esfuerzos. Es necesario un material de alta pureza combinado con buenas prácticas de manipulación y un control estricto del proceso.

¿Por qué los sistemas Veeco EPIK requieren materiales de grafito de porosidad ultrabaja?

Las piezas de grafito dentro de la plataforma Veeco EPIK Systems se someten a una de las condiciones de proceso más exigentes en la fabricación de semiconductores. Estos componentes experimentan condiciones de alta temperatura, química de gases agresiva y ciclos de proceso prolongados. Por lo tanto, el grafito de porosidad ultrabaja es fundamental para mantener la integridad y la limpieza de la epitaxia de SiC. La porosidad se refiere a los pequeños poros internos que existen dentro del propio cuerpo de grafito. A pesar de una superficie perfectamente lisa, los poros internos pueden atrapar gases de proceso, residuos y productos químicos de limpieza. Una alta porosidad significa un mayor volumen interno para el atrapamiento, donde después de la exposición a altas temperaturas, el material puede desgasificarse lentamente. Esta desgasificación no siempre es lineal y puede provocar explosiones, lo que dificulta el control del proceso. En la epitaxia de SiC, esto es especialmente perjudicial. Cuando los gases se liberan del cuerpo de grafito, pueden incorporarse al flujo de gas dentro de la cámara de epitaxia, contribuyendo a la presencia de partículas no deseadas. Las partículas encontrarán su camino hacia la superficie de la oblea, impactando el crecimiento del cristal y pueden provocar defectos inesperados como hoyos aleatorios, rugosidad superficial o variaciones locales en el espesor de la oblea. Un escenario típico se presenta en rampas de producción donde una fábrica limpia recibe nuevas piezas de grafito para un sistema EPIK. Los resultados iniciales pueden ser aceptables, sin embargo, a medida que se repiten los ciclos térmicos, las tasas de defectos pueden aumentar y la inspección del tren de proceso, incluyendo líneas de gas, válvulas y etapas del proceso de limpieza, puede no revelar nada obvio. A menudo se revela que el culpable es el grafito de baja porosidad dentro de la zona de alta temperatura. La selección de grafito de porosidad ultrabaja minimiza eficazmente este riesgo al limitar los volúmenes internos en los que se pueden ocultar especies atrapadas, minimizando la probabilidad de liberaciones repentinas de gas cuando se calienta. También se asocia con una mejor integridad mecánica. La estructura más densa del grafito de porosidad ultrabaja generalmente ofrece una mayor resistencia al agrietamiento cuando el grafito se somete a ciclos térmicos repetidos. Además, las superficies de baja porosidad promueven una mayor integridad del recubrimiento. Cuando se recubren superficies de grafito con SiC u otros materiales refractarios, estos se adhieren bien a una superficie menos porosa. Esto probablemente se deba a una mayor intimidad en la unión entre el material de recubrimiento y el grafito, lo que a su vez mejora la durabilidad y la longevidad de los recubrimientos y reduce su potencial de desprendimiento o descamación. En definitiva, la selección de grafito de porosidad ultrabaja en un escenario de fabricación cotidiano, si bien es una propiedad del material, proporciona un beneficio muy directo para lograr resultados de obleas estables, limpios y predecibles en procesos de epitaxia de SiC de alta gama.