რატომ არის მაღალი სისუფთავის გრაფიტი კრიტიკული SiC ეპიტაქსიის დეფექტების კონტროლისთვის

წარმოებული სილიციუმის კარბიდის (SiC) ვაფლის ხარისხზე გავლენას ახდენს ზრდის გარემოში არსებული უმნიშვნელო ცვლილებებიც კი. ერთ-ერთი სფერო, რომელსაც ბევრი არ ითვალისწინებს, არის რეაქტორის გრაფიტის საფარი. ის უძლებს რეაქტორის შიგნით არსებული ინტენსიური სითბოს გამოცდას, როდესაც ის ეპიტაქსიის დროს ვაფლს იჭერს და ათავსებს. თუ გრაფიტი არ არის სუფთა ან არარეგულარული სტრუქტურის, ზრდის პროცესში შეიძლება მასალის მცირე ნაწილაკები ან არასასურველი რეაქცია დაილექოს. გრაფიტის ზედაპირზე არსებული მცირე პრობლემები შეიძლება ვაფლის დიდ დეფექტებად გადაიქცეს, რაც ჩიპების მწარმოებლებისთვის მეტ შრომას და მოსავლიანობის შემცირებას გამოიწვევს. ამრიგად, გრაფიტის მდგომარეობა და სისუფთავე... გრაფიტის სუსპექტორი უფრო მნიშვნელოვანი საკითხია, ვიდრე უმეტესობას ჰგონია.

როგორ მოქმედებს გრაფიტის სიწმინდე ეპიტაქსიის კამერებში ნაწილაკების პრობლემებზე?

ნაწილაკები SiC ეპიტაქსიის კამერებში ვაფლის გავრცელებული დეფექტია და ხშირად პროცესში გრაფიტი მონაწილეობს. გრაფიტის ნაწილები SiC რეაქტორის ცხელ ზონაშია განთავსებული, ატარებს ვაფლს და გავლენას ახდენს თერმულ კონტურებზე. ნაკლებად სუფთა გრაფიტის გამოყენებისას, მაღალი ტემპერატურის ზრდის დროს, კვალი მინარევები, როგორიცაა მეტალის დამაბინძურებლები, ნაცარი ან პროცესის ნარჩენი ნარჩენები, შეიძლება ნელა გამოვიდეს გრაფიტიდან დროთა განმავლობაში. გამოყოფილი მინარევები ხშირად კამერაში არ არის აღმოჩენილი, მაგრამ საბოლოოდ ისინი ვაფლის ზედაპირზე ხვდებიან ან აირის ფაზის ნაწილი ხდებიან. მაგალითად, ერთ-ერთ შემთხვევაში, ქარხანამ ხარჯების დაზოგვის მიზნით დაბალი ხარისხის გრაფიტი აირჩია. მიუხედავად იმისა, რომ თავდაპირველად მოკლევადიანი დამუშავების დროს პრობლემები არ შეინიშნებოდა, რამდენიმე ციკლის შემდეგ... ეპიტაქსია სიკში , ვაფლის ზედაპირზე შემთხვევითი ნახვრეტები და უხეში ლაქები დაფიქსირდა. ასეთი დეფექტების წყარო გრაფიტის დამჭერიდან ან სუსცეპტორიდან გამოსხივებულ მიკრონაწილაკებში აღმოჩნდა. ნაწილაკები შედიოდნენ ზრდის კამერაში და არასასურველი გზით მარცვლების როლს ასრულებდნენ. გრაფიტის ნაწილის არათანაბარი სიმკვრივე ასევე ხელს შეუწყობდა ნაწილის ზედაპირზე მიკრობზარების გაჩენას გაცხელებისას, რაც დროთა განმავლობაში იწვევს წვრილი ნაწილაკების კამერაში გამოყოფას, მიუხედავად იმისა, რომ ნაწილი შეიძლება სუფთად გამოიყურებოდეს. ამრიგად, გრაფიტის წყაროს და მისი ისტორიის მონიტორინგი ქარხნებში რუტინული ამოცანაა ნაწილაკებთან დაკავშირებული დეფექტების თავიდან ასაცილებლად. ზოგადად სასურველია მაღალი სისუფთავის გრაფიტი ნაცრის კონტროლირებადი რაოდენობით, განსაკუთრებით გრძელვადიანი წარმოებისთვის. ასევე კონტროლდება ნაწილების თერმული ციკლების დათვლა, რადგან მასალები ნაწილაკებს კარგ საწყის დამუშავების შემდეგაც კი გამოყოფენ. ასევე, გრაფიტის ნაწილების მოვლის მეთოდი გავლენას ახდენს დეფექტებზე. მაგალითად, აგრესიული გაწმენდის პროცედურები აზიანებს გრაფიტის ზედაპირს და გამოიწვევს მიკრობზარების წარმოქმნას. სასურველი მეთოდია რბილი, კონტროლირებადი გაწმენდის პროცესი გრაფიტის ნაწილებთან მინიმალური ფიზიკური ურთიერთქმედებით. ეკონომიკური მიზეზების გამო, ნაწილების მოსალოდნელზე ადრე ჩანაცვლება შესაძლოა უკეთესი იყოს, ვიდრე მოსავლიანობის დანაკარგთან გამკლავება მოგვიანებით ეტაპებზე. მოკლედ რომ ვთქვათ, ტიპიური SiC ეპიტაქსიის პროცესში ნაწილაკების წარმოქმნის კონტროლი მასალის ხარისხსა და დამუშავების პრაქტიკაზე მცირე დეტალებზეა დამოკიდებული. გრაფიტის ხარისხის საკითხი საკითხის ცენტრშია.

მაღალი კლასის SiC ეპიტაქსიური ნაწილებისა და სუსცეპტორების მასალის მოთხოვნები

SiC ეპიტაქსიისთვის, რეაქტორში არსებული ნაწილები მხოლოდ ვაფლის „შესაკავებლად“ კი არა, ფუნქციონირებს. რეაქტორში არსებული სუსცეპტორები, გრაფიტის მატარებლები და ცხელი ზონის კომპონენტები პირდაპირ გავლენას ახდენენ კრისტალების ზრდაზე. სწორედ ამიტომ, მასალები ძალიან მომთხოვნია და მცირე დეფექტი საბოლოოდ ვაფლის დეფექტად გამოვლინდება. მაღალი თერმული სტაბილურობა ფუნდამენტური მოთხოვნაა. ნაწილები დიდი ხნის განმავლობაში ძალიან მაღალ ტემპერატურაზე თბება (ზოგჯერ განმეორებითი გათბობის/გაგრილების ციკლები). მასალა, რომელსაც ამ ტემპერატურაზე სტაბილურობის შენარჩუნება არ შეუძლია, დამახინჯდება და საბოლოოდ შეიძლება გაიბზაროს. გეომეტრიის მცირე ცვლილებებმა შეიძლება მნიშვნელოვნად შეცვალოს გაზის ნაკადი და სითბოს განაწილება, რაც იწვევს ვაფლის ზედაპირზე კრისტალების არათანაბარ ზრდას. სისუფთავე კიდევ ერთი კრიტიკული ფაქტორია. მაღალი დონის SiC პროცესები გრაფიტზე დაფუძნებულ კომპონენტებში მოითხოვს ლითონის ძალიან დაბალ შემცველობას და ნაცრის ძალიან დაბალ დონეს. ექსპლუატაციის დროს კვალი ლითონები ნელა გამოთავისუფლდება ნაწილებიდან, დამაბინძურებლები შეიძლება დიფუზირდეს კამერაში და გამოიწვიოს ნაწილაკების დაბინძურება ან ლოკალური კრისტალური დეფექტები. ზოგიერთ ქარხანაში, შემთხვევითი დაწყობის დეფექტი დაბინძურებული სუსცეპტორის ერთ პარტიაშია ნაპოვნი. ზედაპირის სტრუქტურა მნიშვნელოვანი მოთხოვნაა. გლუვი და თანაბარი ზედაპირი ხელს შეუწყობს ნაწილაკების გამოყოფის შემცირებას გათბობა/გაგრილების ციკლის დროს. არაერთგვაროვანი ზედაპირი, ანუ ზედაპირის სტრუქტურაში არსებული ფორები, მუშაობის დროს განუწყვეტლივ იშლება და ამით კამერაში ნაწილაკების სტაბილურ წყაროს წარმოქმნის. საფარის ხარისხი ასევე აუცილებელი მოთხოვნაა. ბევრი მაღალი კლასის სუსცეპტორი დამცავ ფენად SiC საფარს იყენებს. საფარი კარგად უნდა ეკვროდეს ძირითად მასალას და უნდა გაუძლოს ხანგრძლივ მუშაობას. ცუდი შეკვრა და დელამინირება პირდაპირ აზიანებს ძირითად გრაფიტს მკაცრი რეაქციის გარემოს. ჩვენ ამას ხშირად ვხედავთ რეალურ გამოყენებაში: მაგალითად, ვაფლის ქარხანა, რომელიც ხანგრძლივი წარმოების პარტიისთვის მუშაობს, დააკვირდება, რომ დეფექტების მაჩვენებელი ასობით ციკლის შემდეგ სტაბილურად იზრდება. სუსცეპტორის შემოწმება გამოავლენს საფარის მცირე ცვეთას და კიდის ეროზიას. კომპონენტის შეცვლა ან ჩანაცვლება დეფექტების მაჩვენებელს მისაღებ დონეზე დააბრუნებს. სწორი მასალების არჩევა არა მხოლოდ კომპონენტების საწყის მუშაობას ეხება, არამედ მასალის სტაბილურობას განმეორებით ციკლებში.

მარცვლეულის სტრუქტურის გავლენა თერმულ სტაბილურობაზე AIXTRON G10 სისტემებში

გრაფიტის კომპონენტების მარცვლოვანი სტრუქტურა მაღალტემპერატურულ SiC-ში ეპიტაქსიის ზრდა სისტემა, როგორიცაა AIXTRON G10, დიდ გავლენას ახდენს თერმულ სტაბილურობაზე. ეს დაკავშირებულია განზომილებიან ცვლილებებთან, ფორმის შენარჩუნებასთან და თერმულ ციკლზე რეაგირებასთან. გრაფიტი არ არის მონოლითური მყარი სხეული. ის შედგება მრავალი კრისტალიტის ან მარცვლისგან. ცალკეულ კრისტალიტებს შეიძლება ჰქონდეთ განსხვავებული ორიენტაცია. როდესაც გრაფიტის კომპონენტში მარცვლის ზომა ცუდად კონტროლდება, წარმოიქმნება სითბოს არათანაბარი განაწილება. კომპონენტის უბნები სხვადასხვა სიჩქარით თბება და ცივდება. ეს ქმნის შინაგან სტრესს მიკრო დონეზე. დროთა განმავლობაში, ეს შინაგანი სტრესი იწვევს დეფორმაციას ან დამახინჯებას ისეთ ნაწილებში, როგორიცაა სუსცეპტორი ან ვაფლის მატარებელი. ეს პროცესი ადვილად იდენტიფიცირებადია წარმოების დროს. ის, როგორც წესი, ჩნდება, როდესაც ვაფლის ხაზი მუშაობს მაღალ ტემპერატურაზე. ვაფლის ხარისხი იწყებს რხევას ასობით თერმული ციკლის შემდეგ. სისქის ვარიაციები იზრდება და კიდის დეფექტები უფრო რეგულარულად იწყებს გამოვლენას. ამ ნაწილების შემოწმების შემდეგ, მათ, როგორც წესი, აქვთ დეფორმაციის ან მასალის დაღლილობის ნიშნები. კონტროლირებადი კრისტალიტის განაწილებით წვრილმარცვლოვან სტრუქტურებს ექნებათ ბევრად უკეთესი თერმული სტაბილურობა, ვიდრე უხეშ მარცვლებს ან შემთხვევით სტრუქტურებს. ეს გამოიწვევს უფრო თანაბარ სითბოს გადაცემას და ლოკალიზებული დაძაბულობის წერტილების შემცირებას. სათანადო მარცვლოვანი სტრუქტურის შემთხვევაში, ნაწილები გაუძლებენ დეფორმაციას ასობით თერმული ციკლის განმავლობაშიც კი. უხეში ან ცუდად განაწილებული მარცვლოვანი სტრუქტურები იწვევს სუსტ წერტილებს ნაწილში, რაც იწვევს მიკრობზარების წარმოქმნას და საბოლოოდ ნაწილაკების კამერაში გამოყოფას. კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი საკითხი, რომელიც გასათვალისწინებელია, არის თერმული შოკისადმი მდგრადობა. არსებობს მომენტები, როდესაც ნაწილი განიცდის მნიშვნელოვან ტემპერატურულ ცვლილებას, როგორიცაა რეაქტორში ჩატვირთვა ან ამოღების დროს. თუ მარცვლებს შორის სუსტი საზღვრებია, მაშინ მარცვლოვანი ხაზების გასწვრივ შეიძლება წარმოიქმნას მიკრობზარები. მიუხედავად იმისა, რომ ეს, როგორც წესი, არ იწვევს ნაწილის დაზიანებას, ეს საშუალებას იძლევა, რომ ეს სისუსტეები წარმოიქმნას მასალაში, რაც მომავალში საიმედოობის პრობლემებს იწვევს. უმეტეს ქარხნებში ნაწილის სიცოცხლის ხანგრძლივობა აღირიცხება როგორც გამოყენებული საათების, ასევე თერმული ციკლების რაოდენობისა და სრული თერმული დამუშავების მიხედვით. კარგად დაპროექტებული მარცვლოვანი სტრუქტურის მქონე ნაწილებს აქვთ უფრო ხანგრძლივი სიცოცხლის ხანგრძლივობა და უფრო თანმიმდევრული შედეგები დროთა განმავლობაში.

მაღალი სისუფთავის გრაფიტის კომპონენტებში მეტალური დაბინძურების შემცირება

ნებისმიერი გრაფიტის ნაწილის, მათ შორის SiC ეპიტაქსიის პროცესის, ერთ-ერთი „უხილავი“, მაგრამ კრიტიკული პრობლემაა ლითონის დაბინძურება. გრაფიტის ნაწილში ლითონების მცირე კვალიც კი შეიძლება მოხვდეს პროცესში და გახდეს ძნელად აღმოსაჩენი დეფექტების წყარო SiC ეპიტაქსიის რეაქტორში, როგორიცაა AIXTRON G10. ასეთი ლითონები ჩვეულებრივ წარმოიქმნება ნედლეულიდან ან გრაფიტის კომპონენტის წარმოებაში ჩართული სხვადასხვა დამუშავების ეტაპიდან. ისეთი ელემენტები, როგორიცაა რკინა, ნიკელი, კალციუმი და ნატრიუმი, ხშირია და ოთახის ტემპერატურაზე გრაფიტის დიდ ნაწილში რჩება ჩარჩენილი, თუმცა, SiC ეპიტაქსიაში გამოყენებული მომატებული პროცესის ტემპერატურაზე, ეს ელემენტები შეიძლება მობილური გახდეს. ეს კვალი ლითონები საბოლოოდ შეიძლება გამოიდევნოს გაზიდან ან მიგრირდეს ზედაპირზე ცხელ ზონაში განმეორებითი გათბობის/გაგრილების ციკლების დროს, კერძოდ, სუსცეპტორში ან თავად ვაფლის მატარებელში. ტიპიური შემთხვევა ასეთი იქნება: ქარხანა იწყებს წარმოების პარტიას ახალი გრაფიტის ნაწილების გამოყენებით. პირველი რამდენიმე ვაფლი ნორმალურია და არ ავლენს დეფექტებს, მაგრამ გარკვეული პერიოდის შემდეგ, მცირე დეფექტები იწყებს გამოჩენას. ეს ჩვეულებრივ პატარა ორმოებია, შემთხვევითი დასტის ხარვეზები ან აუხსნელი ნაწილაკების მოვლენები. კამერის გაწმენდის დროს ადვილია არასწორი გაზის ნაკადის ან დაბინძურების შესახებ ეჭვის შეტანა. თუმცა, დეტალური ანალიზი ხშირად იწვევს გრაფიტის კომპონენტებიდან ლითონების კვალის ნელ გამოყოფას. გრაფიტის სისუფთავის კონტროლი ერთ-ერთი მთავარი ფაქტორია. კრიტიკული კომპონენტებისთვის, ყოველთვის სასურველია მაღალ ტემპერატურაზე გაწმენდილი გრაფიტი დაბალი ნაცრის შემცველობით. გაწმენდის ეს ეტაპი აშორებს მეტალის ნარჩენების უმეტესობას. ასეთი გრაფიტი ელემენტების უფრო დიდხანს შენარჩუნებას შეუძლია განმეორებითი გათბობის/გაგრილების ციკლების დროსაც კი. ზოგიერთ ქარხანაში ასევე ძალიან მნიშვნელოვანია გრაფიტის ნაწილების შემომავალი შემოწმება. გრაფიტის პარტიების ტესტირება ისეთი ტექნიკით, როგორიცაა ICP-OES ან XRF, ხელს უშლის დაბინძურებული ნაწილების გამოყენებას. მას ასევე შეუძლია თავიდან აიცილოს სხვადასხვა წყაროდან ნაწილების შერევა იმავე პროცესის ნაკადში. SiC ან TaC-ის მსგავსი საფარი ასევე ხელს უწყობს პრობლემის მოგვარებას, რადგან ის ბარიერის როლს ასრულებს გრაფიტის ნაწილსა და პროცესის გარემოს შორის. სანამ საფარი კარგად არის დალექილი და მიმაგრებული გრაფიტის სუბსტრატთან, ის შეამცირებს გრაფიტის ნაწილის ურთიერთქმედებას პროცესის გარემოსთან. და ბოლოს, მაგრამ არანაკლებ მნიშვნელოვანია გრაფიტის ნაწილების დამუშავება და შენახვა. გრაფიტის ნაწილები შეიძლება დაბინძურდეს ჭუჭყიანი ხელთათმანებით, ინსტრუმენტებით დამუშავებისას ან უწმინდურ თაროზე შენახვისას. ეს ზედაპირული დაბინძურება შეიძლება ღუმელში მოხვდეს გათბობის ციკლის დროს. გრაფიტის ნაწილების მეტალური დაბინძურების შესამცირებლად, ეს მრავალი მცირე ძალისხმევის ჯამია. საჭიროა მაღალი სისუფთავის მასალა, კარგი დამუშავების პრაქტიკასთან და პროცესის მკაცრ კონტროლთან ერთად.

რატომ მოითხოვს Veeco EPIK სისტემები ულტრადაბალი ფორიანობის გრაფიტის მასალებს?

Veeco EPIK Systems პლატფორმაში არსებული გრაფიტის ნაწილები ნახევარგამტარების წარმოებაში ერთ-ერთ ყველაზე მკაცრ დამუშავების პირობებს განიცდიან. ამ კომპონენტებისთვის დამახასიათებელია მაღალი ტემპერატურის, აგრესიული გაზის ქიმიისა და ხანგრძლივი დამუშავების ციკლების პირობები. ამრიგად, ულტრა დაბალი ფორიანობის გრაფიტი კრიტიკულად მნიშვნელოვანია SiC ეპიტაქსიის მთლიანობისა და სისუფთავის შესანარჩუნებლად. ფორიანობა გულისხმობს მცირე, შიდა ფორებს, რომლებიც თავად გრაფიტის კორპუსში არსებობს. იდეალურად გლუვი ზედაპირის მიუხედავად, შიდა ფორები შეიძლება არსებობდეს და იჭერდეს პროცესის გაზებს, ნარჩენებს და გამწმენდ ქიმიას. მაღალი ფორიანობა ნიშნავს უფრო მეტ შიდა მოცულობას დაჭერისთვის, სადაც მაღალი ტემპერატურის ზემოქმედების შემდეგ, მასალის ნელა დეგაზაცია შესაძლებელია. ეს დეგაზაცია ყოველთვის არ არის წრფივი და შეიძლება გამოიწვიოს აფეთქებები, რაც პროცესის კონტროლს ართულებს. SiC ეპიტაქსიაში ეს განსაკუთრებით საზიანოა. როდესაც აირები გამოიყოფა გრაფიტის კორპუსიდან, ისინი შეიძლება ინტეგრირდნენ გაზის ნაკადში ეპიტაქსიის კამერაში, რაც ხელს უწყობს არასასურველი ნაწილაკების წარმოქმნას. ნაწილაკები ვაფლის ზედაპირზე მოხვდებიან, რაც გავლენას ახდენს კრისტალების ზრდაზე და შეიძლება გამოიწვიოს მოულოდნელი დეფექტები, როგორიცაა შემთხვევითი ორმოები, ზედაპირის უხეში გახევა ან ვაფლის სისქის ადგილობრივი ვარიაციები. ტიპიური სცენარია წარმოების პანდუსებზე, სადაც სუფთა ქარხანა იღებს EPIK სისტემისთვის ახალ გრაფიტის ნაწილებს. საწყისი შედეგები შეიძლება მისაღები იყოს, თუმცა, თერმული ციკლების გამეორებისას, დეფექტების სიხშირე შეიძლება გაიზარდოს და პროცესის შემოწმებისას, მათ შორის გაზის მილების, სარქველების და გაწმენდის პროცესის ეტაპების ჩათვლით, შეიძლება აშკარა არაფერი გამოვლინდეს. ხშირად ირკვევა, რომ დამნაშავე არის დაბალი ფორიანობის გრაფიტი მაღალი ტემპერატურის ზონაში. ულტრა დაბალი ფორიანობის გრაფიტის შერჩევა ეფექტურად ამცირებს ამ რისკს იმ შიდა მოცულობების შეზღუდვით, რომლებშიც შეიძლება დამალული იყოს ჩარჩენილი სახეობები, რაც ამცირებს გაცხელებისას გაზის უეცარი გამოყოფის ალბათობას. ეს ასევე ასოცირდება უკეთეს მექანიკურ მთლიანობასთან. ულტრა დაბალი ფორიანობის გრაფიტის უფრო მკვრივი სტრუქტურა, როგორც წესი, ზრდის ბზარებისადმი წინააღმდეგობას, რადგან გრაფიტი განიცდის განმეორებით თერმულ ციკლს. გარდა ამისა, დაბალი ფორიანობის ზედაპირები ხელს უწყობს საფარის მთლიანობის გაუმჯობესებას. როდესაც SiC ან სხვა ცეცხლგამძლე მასალები დაფარულია ამ გრაფიტის ზედაპირებზე, ისინი კარგად ეკვრის ნაკლებად ფოროვან ზედაპირს. ეს, სავარაუდოდ, გამოწვეულია დაფარულ მასალასა და გრაფიტს შორის მჭიდრო შეკავშირების გაზრდით, რაც, თავის მხრივ, ზრდის საფარის გამძლეობასა და ხანგრძლივობას, ასევე მათ აქერცვლის ან აქერცვლის პოტენციალს. საბოლოო ჯამში, ულტრადაბალი ფორიანობის გრაფიტის შერჩევა ყოველდღიური წარმოების სცენარში, მიუხედავად იმისა, რომ მასალის თვისებაა, პირდაპირ სარგებელს იძლევა მაღალი დონის SiC ეპიტაქსიის პროცესებში სტაბილური, სუფთა და პროგნოზირებადი ვაფლის შედეგების მისაღწევად.