Miks on pooljuhtide epitaksika jaoks grafiit kaetud ränikarbiidiga?

Pooljuhtide epitaksis valitakse grafiiti harva lihtsalt seetõttu, et see talub kõrget temperatuuri. Selle tegelik väärtus seisneb töödeldavuse, termilise reaktsiooni, elektrilise käitumise ja võimes moodustada keerulisi reaktorikomponente, nagu tünnsusseptorid, pannkoogi sustseptorid, ühe vahvlihoidjad ja MOCVD kandjad, kombinatsioonis. Kuid sama grafiitpind, mis neid eeliseid pakub, ei sobi alati otseseks ja korduvaks kokkupuuteks epitaksia keskkonnaga. Seetõttu on paljud kriitilised grafiidikomponendid kaitstud tiheda kihigakeemilise auruga sadestatud ränikarbiidkate, luues selle, mida tavaliselt kirjeldatakse kuiSiC-kattega grafiit.

Tehniline kontseptsioon on lihtne, kuid oluline: grafiidist korpus on konstruktsiooni- ja termiline platvorm, samal ajal kui CVD SiC kiht muutub protsessile suunatud pinnaks. Saadud komponenti tuleb seetõttu pidada üheks integreeritud materjalisüsteemiks, mitte grafiidiks koos valikulise kaitsekihiga.

Miks on grafiit epitaksireaktorites endiselt oluline?

Epitaksia sustseptor teeb palju rohkem tööd kui lihtsalt vahvli hoidmine. See määrab kindlaks vahvli mehaanilise asendi, osaleb soojusülekandes ja, sõltuvalt reaktori konstruktsioonist, suhtleb pöörlemise, induktsioonkuumutuse ja gaasivooluga. Väikesed muutused tasku sügavuses, tasasuses, pinnaprofiilis või termilises käitumises võivad muuta lokaalset vahvlikeskkonda ja lõpuks mõjutada epitaksiaalset ühtlust.

See nõue selgitab peeneteralise ja isostaatilise grafiidi jätkuvat kasutamist. Grafiiti saab täppistöötleda geomeetrilisteks vormideks, mille valmistamine paljudest tihedatest keraamilistest materjalidest oleks tunduvalt keerulisem või kulukam. Sellel on ka termilised ja elektrilised omadused, mis ühilduvad mitmete kuumseina- ja induktsioonkuumutusega reaktorite kontseptsioonidega.

Kaubandusliku räni jaSiC epitaksia, SGL Carbon identifitseerib ülitugeva isostaatilise grafiidi kaetud sustseptorite alusmaterjalina ja märgib, et sustseptori materjali kvaliteet mõjutab otseselt epitaksiaalse kihi kvaliteeti. Rangeid mõõtmete tolerantse, homogeenset katmist ja puhtust käsitletakse seetõttu pigem seotud nõuetena kui sõltumatute spetsifikatsioonidena.

Raskus seisneb selles, et soojuskeha ehitamiseks sobiv materjal ei pruugi olla optimaalne pind kokkupuuteks protsessi atmosfääriga. See eristus on ränikarbiidi kasutamise peamine põhjus.

Miks paljas grafiit ei ole ideaalne protsessile vastav pind?

A paljas grafiidikomponenttöötab keskkonnas, mis sisaldab kõrgeid temperatuure, reaktiivseid lähtegaase ning korduvat kuumutamist ja jahutamist. Nendes tingimustes võib pind järk-järgult muutuda osaks reaktori keemiast.

Ränikarbiidi epitaksikas on see probleem eriti selge. Avaldatud töö kloriidil põhineva SiC CVD kohta kirjeldab grafiidi sustseptoreid, mis on spetsiaalselt kaetud SiC-ga, et vältida lisandite ja täiendavate süsivesinike eraldumist kuumast grafiidist kasvu ajal. Samas töös teatatakse, et ränikarbiidi katte lagunemine kuumades kohtades võib mõjutada jooksvalt reprodutseeritavust, näidates, et sustseptori pinna seisund võib muutuda protsessi enda osaks.

Seetõttu on risk laiem kui lihtne oksüdatsioon. Otsene kokkupuude võib põhjustada keemilist rünnakut, pinna järkjärgulist karestumist, osakeste vabanemist, lisandite jälgede kokkupuudet või soovimatuid reaktsioone grafiidi ja protsessigaasi vahel. Puhastustsüklid võivad tuua kaasa veel ühe stressimehhanismi, kuna sama komponent peab korduvalt üle elama nii sadestuskeemia kui ka kambri puhastuskeemia.

Pooljuhtide tootmisel tekitab see soovimatu tagasisideahela. Pinna lagunemine muudab sustseptori seisundit; muutuv sustseptor võib muuta lokaalset keemilist ja termilist piiri vahvli ümber; ja muutuv piir võib vähendada protsessi korratavust.

Grafiidi katmise eesmärk ei ole seega ainult osa "korrosioonikindlamaks" muutmine. See on hoidaprotsessile suunatud piir on aja jooksul stabiilsem.

CVD SiC kui funktsionaalne liides grafiidi ja protsessi vahel

CVD SiC kate loob töödeldud grafiidist korpusele tiheda ränikarbiidi pinna. Kaubanduslikud SiC katted sadestatakse tavaliselt keemilise aurustamise teel temperatuuril üle 1200 °C. SGL Carbon teatab tüüpilisteks sadestamistemperatuurideks 1200–1300 °C ja rõhutab konkreetselt, et termilise stressi minimeerimiseks tuleks grafiidist substraadi soojuspaisumine sobitada kattekihiga.

Pärast sadestamist toimib SiC kiht funktsionaalse liidesena grafiidi ja reaktori atmosfääri vahel. Selle keemiline vastupidavus vähendab otsest rünnakut aluseks olevale süsinikule. Selle tihedus piirab grafiidi otsest kokkupuudet protsessikeskkonnaga. Selle kõrge puhtusastmega pind on vahvli lähedal paremini kontrollitud ja selle mehaaniline terviklikkus aitab vähendada erosiooniga seotud osakeste teket.

Need eelised sõltuvad sellest, kas kate jääb puutumata. Katte, mille paksus on ebaühtlane, lokaalsed nööpnõelad, jääkpinge või nõrk adhesioon, võib lõpuks praguneda või delamineerida. Kui see juhtub, paljastatakse grafiit uuesti ja kaitsefunktsioon kaob lokaalselt.

Sel põhjusel ei ole katte paksus üksi oluline kvaliteedinäitaja. Kasulikumad inseneriparameetrid on kombinatsioonpuhtus, tihedus, pinna karedus, paksuse ühtlus, mikrostruktuur, substraadi ühilduvus ja liidese terviklikkus.

Mersen järgib oma pooljuhtseadmete juhistes sama materjalisüsteemi lähenemisviisi. Selles kirjeldatakse ülipuhast grafiiti, mis on kaetud SiC-ga epitakseerimiseks ja MOCVD-ks, ning rõhutatakse konkreetselt grafiidi ja ränikarbiidi CTE-ühilduvust kui katte pikaajalise terviklikkuse tingimust.

Praktiliselt ei ole ideaalne komponent see, millel on kõige paksem SiC kiht. See on see, kus grafiidi klass, katte arhitektuur, töötlustolerantsid ja töötingimused on piisavalt hästi sobitatud, et püsida stabiilsena ka korduvate protsessitsüklite jooksul.

Kuidas mõjutavad sustseptori geomeetria ja lamedus vahvlite temperatuuri ühtlust?

SiC-kattega sustseptori väärtus muutub selgemaks, kui komponenti vaadeldakse pigem soojusvälja osana kui pelgalt kulumaterjalina.

Lihtsustatud epitaksisüsteemi energiateed võib kujutada järgmiselt:

Soojusallikas → SiC-kattega grafiidisusseptor → Vahvli termiline piir → Vahvli temperatuur → Epitaksiaalne kasv

Iga liides on oluline. Kui sustseptor moondub, kui taskud muudavad mõõtmeid, kui sadestused kogunevad ebaühtlaselt või kui kate lokaalselt puruneb, võivad vahvliga kogetavad tingimused muutuda isegi siis, kui reaktori nominaalne retseptsioon jääb muutumatuks.

Seetõttu on täppistöötlus ja katte kvaliteet omavahel tihedalt seotud. SGL Carbon rõhutab silikoonist epitaksia sustseptorite taskuprofiili, tasasust, pinnaviimistlust, puhtust ja homogeenset SiC-katet ning seob sustseptori omadused ka epitaksiaalse kihi kvaliteediga.

Sarnane seos on ka MOCVD-s. Vahvlikandurid pööravad substraate läbi kontrollitud termilise ja prekursorvälja ning kandja termiline käitumine aitab kaasa vahvli temperatuuri jaotusele. SGL Carbon märgib, et LED- ja GaN-iga seotud MOCVD-rakendustes kasutatakse kandja jõudluse kontrollimiseks kõrge puhtusastmega grafiiti, homogeenseid SiC-katteid ja rangeid mõõtmete tolerantse.

Seetõttu oleks ebatäpne väita, et SiC kate üksi "parandab epitaksiaalset saagist". Põhjendatavam tehniline järeldus on see, et stabiilne, hästi läbimõeldud SiC-kattega grafiidikomponent aitab säilitadatermilised, keemilised ja saastumise piirtingimusedvajalik korratava epitaksi jaoks.

See eristamine on oluline nii tehnilise täpsuse kui ka tarnija kvalifikatsiooni jaoks.

Miks erinevad nõuded räni ja ränikarbiidi epitaksi vahel?

Aluseks olev materjalikontseptsioon on räni ja ränikarbiidi epitaksi puhul sarnane, kuid töökeskkonna raskusaste on erinev.

Räni epitaksis peavad kõrge puhtusastmega kaetud sustseptorid säilitama mõõtmete täpsuse, termilise ühtluse ja puhta protsessipinna. Kaubanduslikud tarnijad panevad suurt rõhku tasapinnalisusele, tasku geomeetriale, töötlemise tolerantsile ja katte homogeensusele, kuna susseptor moodustab osa vahvliküttesüsteemist.

SiC epitaksia tekitab kuumale tsoonile tavaliselt suurema termilise ja keemilise stressi. Avaldatud reaktoriuuringutes võib näiteks kloriidipõhine ränikarbiidi kasvatamine toimida temperatuuril umbes 1570 °C. Sellistes tingimustes muutub katte lagunemine lokaalsetes kuumades kohtades eriti oluliseks, kuna muutused sustseptori pinnas võivad mõjutada reprodutseeritavust mitme katse jooksul.

Seetõttu ei ole asjakohane küsimus, kas ränikarbiidi kate on ühe protsessi jaoks "parem" kui teise jaoks. Õige küsimus on selles, kas katte arhitektuur ühildub tegelikugatemperatuur, gaasikeemia, termiline tsükkel, puhastusmeetod ja komponentide geomeetria.

Sama loogika kehtib ka alternatiivsete kattekihtide (nt TaC) hindamisel või tahkete SiC komponentide kaalumisel. Materjali valik peaks järgima protsessikeskkonda, mitte üldist materjali hierarhiat.

SiC-kattega grafiidi määramine tehnilise komponendina

Tehniliselt mõttekas spetsifikatsioon algab pigem reaktorist kui kattest.

Tarnija peaks enne grafiidi ja katte nõuete määratlemist mõistma epitakseerimisprotsessi, reaktori konfiguratsiooni, vahvli suurust, komponentide geomeetriat, töötemperatuuri, protsessigaase ja puhastuskeemiat. Seejärel peaks komponendi joonisel kindlaks määrama tasku geomeetria, tasasuse, kriitilised mõõtmed ja pinnaviimistluse. Alles pärast nende nõuete mõistmist tuleks lõplikult kindlaks määrata katte paksus, ühtlus, karedus ja kontrollikriteeriumid.

See lähenemisviis muudab pakkumist kaubapäringust –

"Tsiteeri aSiC-kattega grafiidisusseptor.”

— tegeliku protsessi ümber ehitatud tehnilistele spetsifikatsioonidele.

Epitaksikomponentide puhul ei ole eesmärk lihtsalt katte eluea maksimeerimine. Eesmärk on säilitada komponent, mis toetabstabiilne vahvlitemperatuur, kontrollitud saastumine, madal osakeste risk, mõõtmete konsistents ja korratavad kasvutingimusedkogu ettenähtud kasutusaja jooksul.

KKK

1. Miks kaetakse grafiit epitaksis ränikarbiidiga?

Grafiit tagab töödeldavuse ja kasulikud termilised omadused, samas kui CVD SiC tagab keemiliselt stabiilse ja kõrge puhtusastmega protsessile suunatud pinna. Kombinatsioon võimaldab keerukatel grafiidisustseptoritel töötada nõudlikes pooljuhtkeskkondades.

2.Miks mitte kasutada paljast grafiiti?

Paljas grafiit võib reageerida reaktiivsete gaasidega, paljastada lisandeid, karestada või tekitada aja jooksul osakesi. Tihe SiC kate eraldab grafiidi protsessi atmosfäärist.

3. Kas SiC kate kõrvaldab saastumise?

Ei. See vähendab grafiidiga seotud saastumise ohtu, kui kate jääb puutumatuks, kuid saaste võib pärineda ka gaasidest, kambri pindadest, ladestustest, käitlemisest ja muudest reaktori komponentidest.

4. Kas SiC kate mõjutab soojustõhusust?

Jah. Kate, grafiidist substraat, komponendi geomeetria ja pinna seisund mõjutavad koos sustseptori ja vahvli vahelist termilist piiri. Seetõttu tuleks katet hinnata tervikliku komponendi osana.

5.Milline teave peaks sisalduma pakkumises?

Kasulik pakkumine peaks sisaldama reaktori mudelit, protsessi tüüpi, vahvli suurust, komponentide joonist, töötemperatuuri, protsessi- ja puhastusgaase, grafiidinõudeid, katte spetsifikatsiooni, kriitilisi tolerantse, pinnaviimistlust, kontrollikriteeriume ja nõutavat kogust.

Viited

1. SGL Carbon. Grafiidi sustseptorid ja komponendid räni ja ränikarbiidi epitaksi jaoks.

2. SGL Carbon. SIGRAFINE® SiC kate.  

3. Mersen. Pooljuhtide protsessiseadmed – ränikarbiidiga kaetud ülipuhas grafiit. Pedersen, H. et al. SiC epitaksia kasv kloriidipõhise CVD abil. Ajakiri Crystal Growth.