Зошто графитот е обложен со силициум карбид за полупроводничка епитаксија?

Во полупроводничка епитаксија, графитот ретко се избира само затоа што може да издржи висока температура. Неговата вистинска вредност лежи во комбинацијата на обработливост, термичка реакција, електрично однесување и способноста да се формираат сложени компоненти на реакторот, како што се сенцептори за буре, сензори за палачинки, држачи за единечни обланди и носачи MOCVD. Сепак, истата графитна површина што ги обезбедува овие предности не е секогаш погодна за директно и повеќекратно изложување на епитаксичната средина. Ова е причината зошто многу критични графитни компоненти се заштитени со густахемиска пареа депониран силициум карбид слој, создавајќи го она што обично се опишува какоГрафит обложен со SiC.

Инженерскиот концепт е едноставен, но важен: графитното тело обезбедува структурна и топлинска платформа, додека слојот CVD SiC станува површина свртена кон процесот. Затоа, добиената компонента мора да се смета како еден интегриран материјален систем наместо како графит со опционален заштитен слој.

Зошто графитот останува важен во епитаксичните реактори

Подлошка за епитаксија врши значително повеќе работа отколку едноставно држење на нафора. Ја утврдува механичката положба на нафората, учествува во преносот на топлина и, во зависност од дизајнот на реакторот, е во интеракција со ротацијата, индукциското загревање и протокот на гас. Малите промени во длабочината на џебот, плошноста, профилот на површината или термичкото однесување може да ја променат локалната средина на обландата и на крајот да влијаат на епитаксиалната униформност.

Ова барање ја објаснува континуираната употреба на ситнозрнест и изостатски графит. Графитот може прецизно да се обработи во геометрии кои би биле значително потешки или скапи за производство од многу густи керамички материјали. Исто така, обезбедува топлински и електрични карактеристики компатибилни со неколку концепти на реактор со топли ѕидови и со индукција загреани.

За комерцијален силикон иSiC епитаксија, SGL Carbon го идентификува изостатскиот графит со висока јачина како основен материјал за обложените сензори и забележува дека квалитетот на материјалот на чувствителноста има директно влијание врз квалитетот на епитаксијалниот слој. Тесните димензионални толеранции, хомогена облога и чистота затоа се третираат како поврзани барања наместо како независни спецификации.

Тешкотијата е што материјалот погоден за градење на термичкото тело не е нужно оптималната површина за контакт со атмосферата на процесот. Оваа разлика е основната причина за примена на силициум карбид.

Зошто голиот графит не е идеална површина со која се соочува процесот

A гола графитна компонентаработи во средина која содржи високи температури, реактивни прекурсорни гасови и постојано загревање и ладење. Под овие услови, површината постепено може да стане дел од хемијата на реакторот.

Во епитаксијата на силициум карбид ова прашање е особено јасно. Објавената работа за SiC CVD базирана на хлорид ги опишува графитните чувствителни обложени со SiC специјално за да се спречи ослободувањето на нечистотиите и дополнителните јаглеводороди од врелиот графит за време на растот. Истата работа известува дека деградацијата на облогата на SiC на жариштата може да влијае на репродуктивноста од трчање до пуштање, што илустрира дека состојбата на површината на сензорот може да стане дел од самиот процес.

Затоа, ризикот е поширок од едноставната оксидација. Директната изложеност може да доведе до хемиски напад, прогресивно грубост на површината, ослободување на честички, изложување на нечистотии во трагови или несакани реакции помеѓу графитот и процесниот гас. Циклусите на чистење можат да воведат друг механизам на стрес бидејќи истата компонента мора постојано да преживува и хемијата на таложење и хемијата за чистење на комората.

За производство на полупроводници, ова создава непожелна јамка за повратни информации. Деградацијата на површината ја менува состојбата на суцепторот; променлив сензор може да ја измени локалната хемиска и топлинска граница околу нафората; а променливата граница може да ја намали повторливоста на процесот.

Затоа, целта на обложувањето на графитот не е само да го направи делот „поотпорен на корозија“. Тоа е да се задржи награницата свртена кон процесот постабилна со текот на времето.

CVD SiC како функционален интерфејс помеѓу графитот и процесот

CVD SiC облогата создава густа површина на силициум карбид над обработеното тело од графит. Комерцијалните SiC облоги најчесто се таложат со хемиско таложење на пареа на температури над приближно 1200°C. SGL Carbon известува за типични температури на таложење од 1.200-1.300°C и конкретно нагласува дека однесувањето на термичка експанзија на графитната подлога треба да се усогласи со облогата за да се минимизира термичкиот стрес.

Откако ќе се депонира, слојот SiC делува како функционален интерфејс помеѓу графитот и атмосферата на реакторот. Неговата хемиска отпорност го намалува директниот напад на основниот јаглерод. Неговата густина ја ограничува директната изложеност на графитот на околината на процесот. Неговата висока чистота обезбедува поконтролирана површина блиску до нафората, а нејзиниот механички интегритет помага да се намали создавањето на честички поврзани со ерозијата.

Овие предности зависат од тоа дали облогата останува недопрена. Облога со слаба униформност на дебелината, локални дупчиња, преостанат стрес или слаба адхезија на крајот може да пука или да се раслојува. Кога тоа ќе се случи, графитот е повторно изложен и заштитната функција локално се губи.

Поради оваа причина, дебелината на облогата сама по себе не е значајна метрика за квалитет. Покорисните инженерски параметри се комбинацијата начистота, густина, грубост на површината, униформност на дебелината, микроструктура, компатибилност на подлогата и интегритет на интерфејсот.

Мерсен го следи истиот пристап на материјал-систем во неговото водство за полупроводничка опрема. Опишува ултра чист графит обложен со SiC за епитаксија и MOCVD и конкретно ја нагласува CTE компатибилноста помеѓу графитот и силициум карбид како услов за долгорочен интегритет на облогата.

Во практична смисла, идеалната компонента не е онаа со најдебелиот слој на SiC. Тоа е оној во кој степенот на графит, архитектурата на обложување, толеранциите на обработка и работните услови се доволно добро усогласени за да останат стабилни преку повторени процесни циклуси.

Како геометријата и плошноста на сусцепторот влијаат на униформноста на температурата на нафората?

Вредноста на сензорот обложен со SiC станува појасна кога компонентата се гледа како дел од термичкото поле наместо само како потрошен материјал.

Патеката на енергија во поедноставен систем на епитаксии може да се претстави како:

Извор на топлина → Поддржувач на графит обложен со SiC → Термичка граница на нафора → Температура на нафора → епитаксијален раст

Секој интерфејс е важен. Ако сензорот се искриви, ако џебовите ја сменат димензијата, ако наслагите се акумулираат нерамномерно или ако облогата локално пропадне, условите што ги доживува нафората може да се променат дури и кога номиналниот рецепт на реакторот останува непроменет.

Ова е причината зошто прецизната обработка и квалитетот на облогата се цврсто поврзани. SGL Carbon го нагласува џебниот профил, плошноста, завршетокот на површината, чистотата и хомогената облога на SiC за силициумските епитаксии, а исто така ги поврзува својствата на чувствителноста со квалитетот на епитаксијалниот слој.

Сличен однос постои и во MOCVD. Носачите на нафора ги ротираат подлогите преку контролирано термичко и прекурсорно поле, а термичкото однесување на носачот придонесува за дистрибуција на температурата на нафората. SGL Carbon забележува дека графит со висока чистота, хомогени SiC облоги и тесни димензионални толеранции се користат за контрола на перформансите на носачот во апликациите за LED и GaN поврзани со MOCVD.

Затоа, би било неточно да се тврди дека само облогата на SiC „го подобрува епитаксиалниот принос“. Поодбранлив инженерски заклучок е дека стабилната, добро дизајнирана графитна компонента обложена со SiC помага во одржувањето натермички, хемиски и контаминациски гранични условипотребни за повторлива епитаксија.

Таа разлика е важна и за техничката точност и за квалификацијата на добавувачот.

Зошто барањата се разликуваат помеѓу силикон и SiC епитаксија

Основниот концепт на материјалот е сличен за епитаксиите на силициум и SiC, но сериозноста на работната средина е различна.

Во силиконската епитаксија, обложените сензори со висока чистота мора да одржуваат димензионална точност, топлинска униформност и чиста процесна површина. Комерцијалните добавувачи ставаат силен акцент на плошноста, геометријата на џебот, толеранцијата на обработката и хомогеноста на облогата бидејќи сензорот е дел од системот за загревање на нафора.

Епитаксијата на SiC обично става поголем термички и хемиски стрес на топлата зона. Растот на SiC базиран на хлорид, на пример, може да работи на температури околу 1.570°C во објавените реакторски студии. Во такви услови, деградацијата на облогата на локализирани жаришта станува особено релевантна бидејќи промените во површината на чувствителната површина може да влијаат на репродуктивноста во повеќекратни проби.

Затоа, соодветното прашање не е дали облогата со SiC е „подобра“ за еден процес од друг. Точното прашање е дали архитектурата на облогата е компатибилна со вистинскататемпература, хемија на гасови, термички циклус, метод на чистење и геометрија на компонентите.

Истата логика важи и кога се оценуваат алтернативните премази како што е TaC или кога се разгледуваат цврстите компоненти на SiC. Изборот на материјали треба да го следи процесното опкружување наместо генеричка хиерархија на материјали.

Наведување на графит обложен со SiC како инженерска компонента

Технички значајната спецификација започнува со реакторот наместо со облогата.

Добавувачот треба да го разбере процесот на епитаксија, конфигурацијата на реакторот, големината на обландата, геометријата на компонентите, работната температура, процесните гасови и хемијата за чистење пред да ги дефинира барањата за графит и облога. Цртежот на компонентата потоа треба да ја утврди геометријата на џебот, плошноста, критичните димензии и завршетокот на површината. Само откако ќе се разберат овие барања, треба да се финализираат дебелината на облогата, униформноста, грубоста и критериумите за проверка.

Овој пристап го менува RFQ од барање за стока -

„Цитат аГрафит сенсектор обложен со SiC.“

- на инженерска спецификација изградена околу вистинскиот процес.

За компонентите на епитаксијата, целта не е само да се максимизира животниот век на облогата. Целта е да се одржи компонента што поддржувастабилна температура на нафора, контролирана контаминација, низок ризик од честички, димензионална конзистентност и повторливи услови на раство текот на неговиот предвиден период на услуга.

Најчесто поставувани прашања

1. Зошто графитот е обложен со силициум карбид во епитаксијата?

Графитот обезбедува обработливост и корисни термички карактеристики, додека CVD SiC обезбедува хемиски стабилна површина со висока чистота свртена кон процесот. Комбинацијата им овозможува на сложените графитни сензори да работат во тешки полупроводнички средини.

2. Зошто да не користите гол графит?

Голиот графит може да стапи во интеракција со реактивни гасови, да изложи нечистотии, да грубост или да генерира честички со текот на времето. Густата облога на SiC го одвојува графитот од атмосферата на процесот.

3.Дали SiC облогата ја елиминира контаминацијата?

Не. Го намалува ризикот од контаминација поврзан со графитот кога облогата останува недопрена, но контаминацијата може да потекнува и од гасови, површини на комората, наслаги, ракување и други компоненти на реакторот.

4.Дали SiC облогата влијае на термичките перформанси?

Да. Облогата, графитната подлога, геометријата на компонентата и состојбата на површината заедно влијаат на термичката граница помеѓу сусцепторот и нафората. Затоа, облогата треба да се оцени како дел од комплетната компонента.

5. Кои информации треба да бидат вклучени во RFQ?

Корисен RFQ треба да вклучува модел на реакторот, тип на процес, големина на обланда, цртање на компонентите, работна температура, процесни и гасови за чистење, барања за графит, спецификација на облогата, критични толеранции, завршна обработка на површината, критериуми за проверка и потребна количина.

Референци

1. SGL Carbon. Графитни сусцептори и компоненти за силиконска и SiC епитаксија.

2. SGL Carbon. SIGRAFINE® SiC облога.  

3. Мерсен. Полупроводничка процесна опрема - ултра-чист графит обложен со силициум карбид. Педерсен, Х. и сор. Раст на епитаксии на SiC со употреба на CVD базирана на хлорид. Весник на кристален раст.