Kodėl grafitas padengtas silicio karbidu puslaidininkių epitaksijai?

Puslaidininkių epitaksijoje grafitas retai pasirenkamas vien todėl, kad gali atlaikyti aukštą temperatūrą. Jo tikroji vertė slypi apdirbamumo, šiluminio atsako, elektrinio elgesio ir gebėjimo formuoti sudėtingus reaktoriaus komponentus, tokius kaip statinės susceptoriai, blynų susceptoriai, vienos plokštelės laikikliai ir MOCVD laikikliai, derinys. Tačiau tas pats grafito paviršius, suteikiantis šiuos pranašumus, ne visada tinka tiesioginiam ir pakartotiniam epitaksijos aplinkos poveikiui. Štai kodėl daugelis svarbių grafito komponentų yra apsaugoti tankiu sluoksniucheminio garų nusodinimo silicio karbido danga, sukuriant tai, kas paprastai apibūdinama kaipSiC dengtas grafitas.

Inžinerinė koncepcija paprasta, bet svarbi: grafito korpusas suteikia konstrukcinę ir šiluminę platformą, o CVD SiC sluoksnis tampa procesui skirtu paviršiumi. Todėl gautas komponentas turi būti laikomas viena integruota medžiagų sistema, o ne kaip grafitas su pasirenkamu apsauginiu sluoksniu.

Kodėl grafitas išlieka svarbus epitaksijos reaktoriuose?

Epitaksinis susceptorius atlieka daug daugiau darbo nei tiesiog laikydami plokštelę. Jis nustato mechaninę plokštelės padėtį, dalyvauja šilumos pernešime ir, priklausomai nuo reaktoriaus konstrukcijos, sąveikauja su sukimu, indukciniu šildymu ir dujų srautu. Maži kišenės gylio, lygumo, paviršiaus profilio ar šiluminės elgsenos pokyčiai gali pakeisti vietinę plokštelės aplinką ir galiausiai paveikti epitaksinį vienodumą.

Šis reikalavimas paaiškina nuolatinį smulkiagrūdžio ir izostatinio grafito naudojimą. Grafitas gali būti tiksliai apdirbamas geometrinėmis formomis, kurias būtų daug sunkiau arba brangiau pagaminti iš daugelio tankių keraminių medžiagų. Jis taip pat suteikia šilumines ir elektrines charakteristikas, suderinamas su keliomis karštų sienelių ir indukcinio šildymo reaktorių koncepcijomis.

Komerciniam siliciui irSiC epitaksija, SGL Carbon identifikuoja didelio stiprumo izostatinį grafitą kaip pagrindinę dengtų susceptorių medžiagą ir pažymi, kad susceptorių medžiagos kokybė turi tiesioginės įtakos epitaksinio sluoksnio kokybei. Todėl griežti matmenų nuokrypiai, vienalytė danga ir grynumas laikomi susijusiais reikalavimais, o ne nepriklausomomis specifikacijomis.

Sunkumas yra tas, kad medžiaga, tinkama šiluminiam korpusui statyti, nebūtinai yra optimalus paviršius sąlyčiui su proceso atmosfera. Šis skirtumas yra pagrindinė silicio karbido naudojimo priežastis.

Kodėl plikas grafitas nėra idealus paviršius, skirtas procesui

A plikas grafito komponentasveikia aplinkoje, kurioje yra aukšta temperatūra, reaktyvios pirmtakų dujos ir nuolatinis šildymas bei vėsinimas. Tokiomis sąlygomis paviršius gali palaipsniui tapti reaktoriaus chemijos dalimi.

Silicio karbido epitaksijoje ši problema ypač aiški. Paskelbtame darbe apie chlorido pagrindu pagamintą SiC CVD aprašomi grafito susceptoriai, padengti SiC, kad būtų išvengta priemaišų ir papildomų angliavandenilių išsiskyrimo iš karšto grafito augimo metu. Tame pačiame darbe pranešama, kad SiC dangos skilimas karštose vietose gali turėti įtakos atkuriamumui, o tai rodo, kad susceptoriaus paviršiaus būklė gali tapti paties proceso dalimi.

Todėl rizika yra platesnė nei paprasta oksidacija. Tiesioginis poveikis gali sukelti cheminį poveikį, laipsnišką paviršiaus šiurkštėjimą, dalelių išsiskyrimą, priemaišų pėdsakų poveikį arba nepageidaujamas reakcijas tarp grafito ir proceso dujų. Valymo ciklai gali sukurti kitą streso mechanizmą, nes tas pats komponentas turi pakartotinai išgyventi tiek nusėdimo chemiją, tiek kameros valymo chemiją.

Puslaidininkių gamybai tai sukuria nepageidaujamą grįžtamojo ryšio kilpą. Paviršiaus degradacija keičia susceptoriaus būklę; kintantis susceptorius gali pakeisti vietinę cheminę ir šiluminę ribą aplink plokštelę; o besikeičianti riba gali sumažinti proceso pakartojamumą.

Todėl grafito dengimo tikslas yra ne tik padaryti dalį „atsparesnę korozijai“. Tai yra išlaikytiproceso riba laikui bėgant tampa stabilesnė.

CVD SiC kaip funkcinė sąsaja tarp grafito ir proceso

CVD SiC danga sukuria tankų silicio karbido paviršių ant apdirbto grafito korpuso. Komercinės SiC dangos dažniausiai nusodinamos cheminiu garų nusodinimu aukštesnėje nei 1200°C temperatūroje. SGL Carbon praneša apie tipines 1 200–1 300 ° C nusodinimo temperatūras ir ypač pabrėžia, kad grafito pagrindo šiluminis plėtimasis turi būti suderintas su danga, kad būtų sumažintas šiluminis įtempis.

Nusodintas SiC sluoksnis veikia kaip funkcinė sąsaja tarp grafito ir reaktoriaus atmosferos. Jo cheminis atsparumas sumažina tiesioginį anglies poveikį. Jo tankis riboja tiesioginį grafito poveikį proceso aplinkai. Didelis grynumas užtikrina labiau kontroliuojamą paviršių arti plokštelės, o mechaninis vientisumas padeda sumažinti su erozija susijusių dalelių susidarymą.

Šie pranašumai priklauso nuo to, ar danga liko nepažeista. Nevienodo storio danga, vietinės skylutės, liekamasis įtempis arba silpnas sukibimas ilgainiui gali įtrūkti arba atsisluoksniuoti. Kai tai atsitiks, grafitas vėl atsiskleidžia ir lokaliai prarandama apsauginė funkcija.

Dėl šios priežasties vien dangos storis nėra reikšmingas kokybės rodiklis. Naudingesni inžineriniai parametrai yra jų derinysgrynumas, tankis, paviršiaus šiurkštumas, storio vienodumas, mikrostruktūra, substrato suderinamumas ir sąsajos vientisumas.

Mersen savo puslaidininkinės įrangos gairėse vadovaujasi tuo pačiu medžiagų ir sistemos požiūriu. Jame aprašomas itin grynas grafitas, padengtas SiC epitaksijai ir MOCVD, ir konkrečiai pabrėžiamas grafito ir silicio karbido CTE suderinamumas kaip ilgalaikio dangos vientisumo sąlyga.

Praktiškai idealus komponentas nėra tas, kurio SiC sluoksnis yra storiausias. Tai yra tas, kuriame grafito klasė, dangos architektūra, apdirbimo leistinos nuokrypos ir veikimo sąlygos yra pakankamai gerai suderintos, kad išliktų stabilios per pasikartojančius proceso ciklus.

Kaip suskeptoriaus geometrija ir plokštumas veikia plokštelių temperatūros vienodumą?

SiC dengto susceptoriaus vertė tampa aiškesnė, kai į komponentą žiūrima kaip į šiluminio lauko dalį, o ne kaip į vartojimo reikmenis.

Energijos kelias supaprastintoje epitaksijos sistemoje gali būti pavaizduotas taip:

Šilumos šaltinis → SiC padengtas grafito susceptorius → plokštelės šiluminė riba → plokštelės temperatūra → epitaksinis augimas

Kiekviena sąsaja yra svarbi. Jei susceptorius išsikraipo, pasikeičia kišenių matmenys, jei nuosėdos kaupiasi netolygiai arba jei danga lokaliai sugenda, plokštelės patiriamos sąlygos gali pasikeisti, net jei vardinė reaktoriaus receptūra nesikeičia.

Štai kodėl tikslus apdirbimas ir dangos kokybė yra glaudžiai susiję. SGL Carbon pabrėžia kišeninį profilį, lygumą, paviršiaus apdailą, grynumą ir vienalytę SiC dangą, skirtą silicio epitaksiniams susceptoriams, taip pat susieja susceptorių savybes su epitaksinio sluoksnio kokybe.

Panašus ryšys egzistuoja ir MOCVD. Plokščių laikikliai sukasi substratus per kontroliuojamą šiluminį ir pirmtakų lauką, o nešiklio šiluminis elgesys prisideda prie plokštelių temperatūros pasiskirstymo. SGL Carbon pažymi, kad didelio grynumo grafitas, vienalytės SiC dangos ir griežti matmenų nuokrypiai naudojami nešiklio veikimui valdyti su LED ir GaN susijusiuose MOCVD įrenginiuose.

Todėl būtų netikslu teigti, kad vien tik SiC danga „gerina epitaksinį derlių“. Labiau pagrįsta inžinerinė išvada yra ta, kad stabilus, gerai suprojektuotas SiC dengtas grafito komponentas padeda išlaikytišiluminės, cheminės ir taršos ribinės sąlygosreikalingas pakartotinei epitaksijai.

Šis skirtumas yra svarbus tiek techniniam tikslumui, tiek tiekėjo kvalifikacijai.

Kodėl silicio ir SiC epitaksijos reikalavimai skiriasi

Pagrindinės medžiagos koncepcija silicio ir SiC epitaksijos atveju yra panaši, tačiau skiriasi veikimo aplinkos sunkumas.

Taikant silicio epitaksiją, didelio grynumo dengti susceptoriai turi išlaikyti matmenų tikslumą, šiluminį vienodumą ir švarų proceso paviršių. Komerciniai tiekėjai daug dėmesio skiria plokštumui, kišenės geometrijai, apdirbimo tolerancijai ir dangos homogeniškumui, nes susceptorius yra plokštelių šildymo sistemos dalis.

SiC epitaksija paprastai sukelia didesnį šiluminį ir cheminį įtempimą karštoje zonoje. Pavyzdžiui, chlorido pagrindu pagamintas SiC augimas gali veikti maždaug 1570 °C temperatūroje paskelbtuose reaktorių tyrimuose. Tokiomis sąlygomis dangos irimas lokalizuotose karštosiose vietose tampa ypač aktualus, nes pakitimai suskeptoriaus paviršiuje gali turėti įtakos atkuriamumui per kelis bandymus.

Todėl tinkamas klausimas nėra, ar SiC danga yra „geresnė“ vienam procesui nei kitam. Teisingas klausimas, ar dangos architektūra suderinama su faktinetemperatūra, dujų chemija, terminis ciklas, valymo būdas ir komponentų geometrija.

Ta pati logika taikoma vertinant alternatyvias dangas, tokias kaip TaC, arba svarstant kietojo SiC komponentus. Medžiagos parinkimas turėtų atitikti proceso aplinką, o ne bendrą medžiagų hierarchiją.

SiC padengto grafito nurodymas kaip inžinerinis komponentas

Techniškai reikšminga specifikacija prasideda nuo reaktoriaus, o ne nuo dangos.

Tiekėjas, prieš nustatydamas grafito ir dangos reikalavimus, turėtų suprasti epitaksijos procesą, reaktoriaus konfigūraciją, plokštelės dydį, komponentų geometriją, darbinę temperatūrą, proceso dujas ir valymo chemiją. Tada komponento brėžinyje turėtų būti nustatyta kišenės geometrija, lygumas, kritiniai matmenys ir paviršiaus apdaila. Tik supratus šiuos reikalavimus, reikia nustatyti dangos storį, vienodumą, šiurkštumą ir tikrinimo kriterijus.

Šis metodas pakeičia RFQ iš prekės užklausos –

„Citata aSiC dengtas grafito susceptorius.

– pagal inžinerines specifikacijas, sukurtas atsižvelgiant į faktinį procesą.

Naudojant epitaksinius komponentus, siekiama ne tik maksimaliai pailginti dangos tarnavimo laiką. Tikslas yra išlaikyti komponentą, kuris palaikostabili plokštelių temperatūra, kontroliuojamas užterštumas, maža dalelių rizika, matmenų konsistencija ir pasikartojančios augimo sąlygosper visą numatytą tarnavimo laiką.

DUK

1. Kodėl grafitas epitaksijoje padengiamas silicio karbidu?

Grafitas užtikrina apdirbamumą ir naudingas šilumines charakteristikas, o CVD SiC – chemiškai stabilų, labai gryną, į procesą nukreiptą paviršių. Šis derinys leidžia sudėtingiems grafito susceptoriams veikti sudėtingoje puslaidininkių aplinkoje.

2.Kodėl nenaudojus pliko grafito?

Plikas grafitas laikui bėgant gali sąveikauti su reaktyviosiomis dujomis, atskleisti priemaišas, šiurkštėti arba susidaryti dalelių. Tanki SiC danga atskiria grafitą nuo proceso atmosferos.

3.Ar SiC danga pašalina užteršimą?

Ne. Tai sumažina su grafitu susijusią užteršimo riziką, kai danga lieka nepažeista, bet užteršimas taip pat gali kilti dėl dujų, kameros paviršių, nuosėdų, tvarkymo ir kitų reaktoriaus komponentų.

4. Ar SiC danga turi įtakos šiluminėms savybėms?

Taip. Danga, grafito substratas, komponento geometrija ir paviršiaus būklė kartu įtakoja šiluminę ribą tarp susceptoriaus ir plokštelės. Todėl danga turėtų būti vertinama kaip visos sudedamosios dalies dalis.

5. Kokia informacija turėtų būti įtraukta į RFQ?

Naudingame užklausame turėtų būti nurodytas reaktoriaus modelis, proceso tipas, plokštelės dydis, komponentų brėžinys, darbo temperatūra, proceso ir valymo dujos, grafito reikalavimai, dangos specifikacija, kritinės leistinos nuokrypos, paviršiaus apdaila, tikrinimo kriterijai ir reikalingas kiekis.

Nuorodos

1. SGL anglis. Grafito susceptoriai ir komponentai, skirti silicio ir SiC epitaksijai.

2. SGL anglis. SIGRAFINE® SiC danga.  

3. Mersenas. Puslaidininkių proceso įranga – itin grynas grafitas, padengtas silicio karbidu. Pedersen, H. ir kt. SiC epitaksijos augimas naudojant chlorido pagrindu pagamintą CVD. Crystal Growth žurnalas.