Perché la grafite ad elevata purezza è fondamentale per il controllo dei difetti nell'epitassia del SiC

La qualità del wafer di carburo di silicio (SiC) prodotto è influenzata anche da sottili cambiamenti nell'ambiente di crescita. Un aspetto che molti non considerano è il rivestimento in grafite del reattore. Esso resiste all'intenso calore presente all'interno del reattore mentre supporta e posiziona il wafer durante l'epitassia. Se la grafite è impura o strutturata in modo irregolare, piccole particelle di materiale o una reazione indesiderata possono depositarsi durante tutto il processo di crescita. Piccoli problemi sulla superficie della grafite possono trasformarsi in gravi difetti del wafer, con conseguente aumento del lavoro e riduzione della resa per i produttori di chip. Pertanto, le condizioni e la pulizia del Suscettore di grafite è una questione più importante di quanto molti possano immaginare.

In che modo la purezza della grafite influenza i problemi relativi alle particelle nelle camere di epitassia?

Le particelle sono un difetto pervasivo dei wafer nelle camere di epitassia del SiC e spesso coinvolgono la grafite nel processo. Le parti di grafite si trovano nella zona calda del reattore SiC, trasportando il wafer e influenzando i contorni termici. Con l'utilizzo di grafite meno pura, tracce di impurità, come contaminanti metallici, ceneri o residui di processo, possono degassare lentamente dalla grafite nel tempo durante la crescita ad alta temperatura. Le impurità degassate sono spesso non rilevabili nella camera, ma alla fine si depositano sulla superficie del wafer o diventano parte della fase gassosa. Ad esempio, in un'applicazione una fabbrica ha optato per una grafite di grado inferiore per risparmiare sui costi. Sebbene inizialmente non fossero evidenti problemi durante le brevi corse, dopo diversi cicli di Sic epitassia Sulla superficie del wafer sono stati osservati fori e zone ruvide distribuiti in modo casuale. L'origine di tali difetti è stata ricondotta a microparticelle emesse dal supporto o dal suscettore di grafite. Le particelle penetravano nella camera di crescita e agivano da germi di cristallizzazione in modo indesiderato. Anche la densità non uniforme del componente in grafite contribuiva alla formazione di microfratture sulla superficie del componente durante il riscaldamento, portando al rilascio di particelle fini nella camera nel tempo, anche se il componente poteva apparire pulito. Pertanto, il monitoraggio della provenienza della grafite e della sua storia è un'attività di routine negli stabilimenti di produzione per evitare difetti correlati alle particelle. Una grafite ad elevata purezza con una quantità controllata di ceneri è generalmente auspicabile, soprattutto per produzioni a lungo termine. Viene monitorato anche il numero di cicli termici dei componenti, poiché i materiali rilasciano particelle anche dopo una buona lavorazione iniziale. Anche il metodo di manutenzione dei componenti in grafite influenza i difetti. Ad esempio, procedure di pulizia aggressive danneggerebbero la superficie della grafite e causerebbero microfratture. Il metodo preferito è un processo di pulizia delicato e controllato con un'interazione fisica minima con i componenti in grafite. Per ragioni economiche, sostituire i componenti prima del previsto potrebbe essere preferibile rispetto a dover affrontare perdite di resa in fasi successive. In sintesi, il controllo della generazione di particelle in un tipico processo di epitassia del SiC ruota attorno a piccoli dettagli sulla qualità del materiale e sulle pratiche di manipolazione. La questione della qualità della grafite è al centro del problema.

Requisiti dei materiali per componenti e suscettori epitassiali in SiC di fascia alta

Nell'epitassia del SiC, i componenti del reattore non servono solo a "sostenere" il wafer. I supporti, i supporti in grafite e i componenti della zona calda del reattore influenzano direttamente la crescita cristallina. Per questo motivo, i materiali sono molto esigenti e anche una piccola imperfezione si manifesterà inevitabilmente come un difetto sul wafer. Un'elevata stabilità termica è un requisito fondamentale. I componenti vengono riscaldati a temperature molto elevate per lunghi periodi (a volte con cicli ripetuti di riscaldamento/raffreddamento). Un materiale che non riesce a mantenere la stabilità a queste temperature si deformerà e potrebbe infine incrinarsi. Lievi variazioni di geometria possono modificare significativamente il flusso di gas e la distribuzione del calore, con conseguente crescita cristallina non uniforme sulla superficie del wafer. La purezza è un altro fattore critico. I processi SiC di fascia alta richiedono un contenuto di metallo molto basso e un livello di ceneri molto basso nei componenti a base di grafite. Durante il funzionamento, le tracce di metalli si disperdono lentamente dai componenti, i contaminanti possono diffondersi nella camera e causare contaminazione da particelle o difetti cristallini localizzati. In alcuni stabilimenti di produzione, i difetti di impilamento casuali sono stati ricondotti a un singolo lotto di suscettori contaminati. La struttura superficiale è un requisito importante. Una superficie liscia e uniforme contribuisce a ridurre il distacco di particelle durante il ciclo di riscaldamento/raffreddamento. Una superficie non uniforme, o la presenza di pori nella struttura superficiale, si deteriorerà continuamente durante il funzionamento, generando così una fonte costante di particelle nella camera. Anche la qualità del rivestimento è un requisito essenziale. Molti suscettori di fascia alta utilizzano un rivestimento in SiC come strato protettivo. Il rivestimento deve aderire bene al materiale di base e resistere a un funzionamento prolungato. Una scarsa adesione e la delaminazione esporranno direttamente la grafite di base all'ambiente di reazione aggressivo. Questo si osserva spesso nelle applicazioni reali: ad esempio, in uno stabilimento di produzione di wafer che opera per lunghi lotti di produzione, si noterà un aumento costante del tasso di difetti dopo centinaia di cicli. Ispezionando il suscettore si rivelerà una leggera usura del rivestimento e un'erosione dei bordi. La sostituzione o la modifica del componente riporterà il tasso di difettosità a un livello accettabile. La scelta dei materiali giusti non riguarda solo le prestazioni iniziali dei componenti, ma anche la stabilità del materiale nei cicli ripetuti.

Effetti della struttura granulare sulla stabilità termica nei sistemi AIXTRON G10

La struttura granulare dei componenti di grafite all'interno di un SiC ad alta temperatura Crescita epitassica Un sistema, come ad esempio un AIXTRON G10, ha un impatto significativo sulla stabilità termica. Ciò riguarda le variazioni dimensionali, il mantenimento della forma e la risposta ai cicli termici. La grafite non è un solido monolitico. È composta da numerosi cristalliti o grani. I singoli cristalliti possono avere orientamenti diversi. Quando il controllo della dimensione dei grani all'interno del componente in grafite è inadeguato, si verifica una distribuzione del calore non uniforme. Le aree del componente si riscaldano e si raffreddano a velocità diverse. Questo crea stress interno a livello microscopico. Lentamente, nel tempo, questo stress interno provoca deformazioni o distorsioni in parti come il supporto o il porta wafer. Questo processo è facilmente identificabile durante la produzione. In genere si manifesta quando la linea di wafer opera ad alte temperature. La qualità del wafer inizia a deteriorarsi dopo centinaia di cicli termici. Le variazioni di spessore aumentano e i difetti sui bordi iniziano a manifestarsi con maggiore frequenza. Una volta esaminate, queste parti presentano solitamente segni di deformazione o affaticamento del materiale. Le strutture a grana fine con una distribuzione controllata dei cristalliti avranno una stabilità termica molto migliore rispetto a grani grossolani o strutture casuali. Ciò si tradurrà in un trasferimento di calore più uniforme e in una riduzione dei punti di stress localizzati. Con una struttura granulare adeguata, i componenti resisteranno alla deformazione anche dopo centinaia di cicli termici. Strutture grossolane o grani mal distribuiti creano punti deboli all'interno del componente, consentendo la formazione di microfratture e il conseguente rilascio di particelle nella camera. Un altro aspetto fondamentale da considerare è la resistenza allo shock termico. Ci sono momenti in cui il componente subisce significative variazioni di temperatura, come ad esempio durante il caricamento nel reattore o la sua rimozione. Se i confini tra i grani sono deboli, possono formarsi microfratture lungo le linee dei grani. Sebbene ciò in genere non comporti la rottura del componente, permette la formazione di questi punti deboli nel materiale, con conseguenti problemi di affidabilità futuri. La maggior parte delle fabbriche monitora la durata dei componenti sia in base alle ore di utilizzo, sia al numero di cicli termici e al trattamento termico totale. I componenti con una struttura granulare ben progettata hanno una durata maggiore e risultati più costanti nel tempo.

Riduzione della contaminazione metallica nei componenti in grafite ad elevata purezza

Uno dei problemi "nascosti" ma critici in qualsiasi componente in grafite, incluso il processo di epitassia del SiC, è la contaminazione metallica. Anche tracce minime di metalli in un componente in grafite possono migrare nel processo e diventare fonte di difetti difficili da individuare in un reattore di epitassia del SiC come l'AIXTRON G10. Tali metalli provengono normalmente dalle materie prime o dalle varie fasi di lavorazione coinvolte nella produzione del componente in grafite. Elementi come ferro, nichel, calcio e sodio sono comuni e rimangono intrappolati nella massa della grafite a temperatura ambiente; tuttavia, alle elevate temperature di processo utilizzate nell'epitassia del SiC, questi elementi possono diventare mobili. Queste tracce di metalli possono infine essere degassate o migrare sulla superficie durante i ripetuti cicli di riscaldamento/raffreddamento nella zona calda, ovvero il supporto o il wafer stesso. Un caso tipico potrebbe essere il seguente: una fabbrica avvia un lotto di produzione utilizzando nuovi componenti in grafite. I primi wafer sono a posto e non presentano difetti, ma dopo un certo periodo, iniziano a comparire piccoli difetti. Solitamente si tratta di minuscole cavità, difetti di impilamento casuali o eventi di particelle inspiegabili. È facile sospettare erroneamente un flusso di gas anomalo o un evento di contaminazione durante la pulizia della camera. Tuttavia, un'analisi dettagliata spesso riconduce al lento rilascio di tracce di metalli dai componenti in grafite. Il controllo della purezza della grafite è fondamentale. Per i componenti critici, si preferisce sempre la grafite purificata ad alta temperatura con un basso contenuto di ceneri. Questa fase di purificazione rimuove la maggior parte dei residui metallici. Tale grafite può trattenere gli elementi per un tempo più lungo anche in presenza di ripetuti cicli di riscaldamento/raffreddamento. Anche l'ispezione in entrata dei componenti in grafite è molto importante in alcune fabbriche. Testare i lotti di grafite con tecniche come ICP-OES o XRF può impedire l'utilizzo di componenti contaminati. Può anche impedire la miscelazione di componenti provenienti da fonti diverse all'interno dello stesso flusso di processo. Rivestimenti come SiC o TaC contribuiscono a risolvere il problema agendo da barriera tra il componente in grafite e l'ambiente di processo. Fintanto che il rivestimento è ben depositato e aderente al substrato di grafite sottostante, ridurrà l'interazione del componente in grafite con l'ambiente di processo. Ultimo ma non meno importante è il trattamento e lo stoccaggio dei componenti in grafite. I componenti in grafite possono contaminarsi durante la manipolazione con guanti e strumenti sporchi o se conservati su uno scaffale non pulito. Questa contaminazione superficiale può poi penetrare nel forno durante il ciclo di riscaldamento. Ridurre la contaminazione metallica dei componenti in grafite è la somma di molti piccoli accorgimenti. È necessario un materiale di elevata purezza, combinato con buone pratiche di manipolazione e un rigoroso controllo del processo.

Perché i sistemi Veeco EPIK richiedono materiali in grafite a porosità ultra-bassa?

I componenti in grafite della piattaforma Veeco EPIK Systems sono sottoposti a una delle condizioni di processo più severe nella produzione di semiconduttori. Questi componenti sono esposti ad alte temperature, gas aggressivi e cicli di processo lunghi. Pertanto, la grafite a porosità ultra-bassa è fondamentale per mantenere l'integrità e la pulizia dell'epitassia del SiC. La porosità si riferisce ai piccoli pori interni presenti nel corpo stesso della grafite. Nonostante una superficie perfettamente liscia, possono essere presenti pori interni che intrappolano gas di processo, residui e agenti chimici di pulizia. Un'elevata porosità significa un maggiore volume interno in cui questi possono accumularsi, e dopo l'esposizione ad alte temperature, il materiale può degassarsi lentamente. Questo degassamento non è sempre lineare e può portare a picchi improvvisi, rendendo il processo difficile da controllare. Nell'epitassia del SiC, questo è particolarmente dannoso. Quando i gas vengono rilasciati dal corpo in grafite, possono essere incorporati nel flusso di gas all'interno della camera di epitassia, contribuendo alla formazione di particelle indesiderate. Le particelle si depositano sulla superficie del wafer, influenzando la crescita dei cristalli e causando difetti imprevisti come cavità casuali, rugosità superficiale o variazioni locali nello spessore del wafer. Uno scenario tipico si verifica nelle fasi di produzione in cui una fabbrica pulita riceve nuovi componenti in grafite per un sistema EPIK. I risultati iniziali potrebbero essere accettabili, tuttavia, con il ripetersi dei cicli termici, il tasso di difetti può aumentare e l'ispezione del processo, comprese le linee del gas, le valvole e le fasi del processo di pulizia, potrebbe non rivelare nulla di evidente. Spesso si scopre che il colpevole è la grafite a bassa porosità presente nella zona ad alta temperatura. La scelta di grafite a porosità ultra bassa riduce efficacemente questo rischio limitando i volumi interni in cui le specie intrappolate possono annidarsi, minimizzando la probabilità di improvvise emissioni di gas durante il riscaldamento. È inoltre associata a una migliore integrità meccanica. La struttura più densa della grafite a porosità ultra bassa offre in genere una maggiore resistenza alle crepe quando la grafite viene sottoposta a ripetuti cicli termici. Inoltre, le superfici a bassa porosità promuovono una migliore integrità del rivestimento. Quando il SiC o altri materiali refrattari vengono depositati su queste superfici di grafite, aderiscono bene a una superficie meno porosa. Ciò è probabilmente dovuto alla maggiore intimità del legame tra il materiale di rivestimento e la grafite, che a sua volta migliora la durata e la longevità dei rivestimenti e la loro capacità di non staccarsi o sfaldarsi. In definitiva, la scelta di grafite a porosità ultra bassa in uno scenario di fabbricazione quotidiano, pur essendo una proprietà del materiale, offre un vantaggio molto diretto nel raggiungimento di risultati di wafer stabili, puliti e prevedibili nei processi di epitassia del SiC di fascia alta.