چرا گرافیت برای اپیتاکسی نیمه هادی با کاربید سیلیکون پوشیده شده است؟

در اپیتاکسی نیمه هادی، گرافیت به ندرت انتخاب می شود، زیرا می تواند دمای بالا را تحمل کند. ارزش واقعی آن در ترکیبی از قابلیت ماشینکاری، پاسخ حرارتی، رفتار الکتریکی و توانایی تشکیل اجزای پیچیده راکتور مانند گیرنده‌های بشکه، گیرنده‌های پنکیک، نگهدارنده‌های تک ویفر و حامل‌های MOCVD نهفته است. با این حال، همان سطح گرافیتی که این مزایا را فراهم می کند، همیشه برای قرار گرفتن در معرض مستقیم و مکرر با محیط اپیتاکسی مناسب نیست. به همین دلیل است که بسیاری از اجزای مهم گرافیت با یک متراکم محافظت می شوندپوشش سیلیکون کاربید رسوب شده با بخار شیمیایی، ایجاد آنچه معمولاً به عنوان توصیف می شودگرافیت با پوشش SiC.

مفهوم مهندسی ساده اما مهم است: بدنه گرافیت پلت فرم ساختاری و حرارتی را فراهم می کند، در حالی که لایه CVD SiC به سطح رو به فرآیند تبدیل می شود. بنابراین جزء حاصل باید به عنوان یک سیستم مواد یکپارچه در نظر گرفته شود تا به عنوان گرافیت با یک لایه محافظ اختیاری.

چرا گرافیت در راکتورهای اپیتاکسی مهم است؟

یک گیرنده اپیتاکسی کار بسیار بیشتری نسبت به نگه داشتن ویفر انجام می دهد. موقعیت مکانیکی ویفر را تعیین می کند، در انتقال حرارت شرکت می کند و بسته به طراحی راکتور، با چرخش، گرمایش القایی و جریان گاز تعامل دارد. تغییرات کوچک در عمق پاکت، صافی، مشخصات سطح یا رفتار حرارتی می‌تواند محیط محلی ویفر را تغییر دهد و در نهایت بر یکنواختی اپیتاکسیال تأثیر بگذارد.

این نیاز ادامه استفاده از گرافیت دانه ریز و ایزواستاتیک را توضیح می دهد. گرافیت را می توان با ماشینکاری دقیق به شکل هندسی هایی تبدیل کرد که ساخت آنها از بسیاری از مواد سرامیکی متراکم بسیار دشوارتر یا گران تر است. همچنین ویژگی های حرارتی و الکتریکی سازگار با چندین مفهوم راکتور دیوار داغ و گرمایش القایی را فراهم می کند.

برای سیلیکون تجاری واپیتاکسی SiC، SGL Carbon گرافیت ایزواستاتیک با استحکام بالا را به عنوان ماده پایه برای گیرنده های پوشش داده شده شناسایی می کند و خاطرنشان می کند که کیفیت مواد گیرنده تأثیر مستقیمی بر کیفیت لایه همپایی دارد. بنابراین، تلورانس‌های ابعادی کم، پوشش همگن و خلوص به‌عنوان الزامات مرتبط تلقی می‌شوند تا مشخصات مستقل.

مشکل این است که یک ماده مناسب برای ساخت بدنه حرارتی لزوماً سطح بهینه برای تماس با جو فرآیند نیست. این تمایز دلیل اساسی استفاده از کاربید سیلیکون است.

چرا گرافیت برهنه یک سطح ایده آل برای مواجهه با فرآیند نیست؟

A جزء گرافیت خالیدر محیطی حاوی دماهای بالا، گازهای پیش ساز فعال و گرمایش و سرمایش مکرر عمل می کند. در این شرایط، سطح می تواند به تدریج بخشی از شیمی راکتور شود.

در اپیتاکسی کاربید سیلیکون این موضوع به ویژه واضح است. کار منتشر شده روی SiC CVD مبتنی بر کلرید، گیرنده‌های گرافیت پوشیده شده با SiC را به طور خاص برای جلوگیری از انتشار ناخالصی‌ها و هیدروکربن‌های اضافی از گرافیت داغ در طول رشد توصیف می‌کند. همین کار گزارش می‌دهد که تخریب پوشش SiC در نقاط داغ می‌تواند بر تکرارپذیری اجرا تا اجرا تأثیر بگذارد، و نشان می‌دهد که وضعیت سطح گیرنده می‌تواند بخشی از خود فرآیند شود.

بنابراین خطر گسترده تر از اکسیداسیون ساده است. قرار گرفتن در معرض مستقیم ممکن است منجر به حمله شیمیایی، زبری تدریجی سطح، آزادسازی ذرات، قرار گرفتن در معرض ناخالصی های کمیاب یا واکنش های ناخواسته بین گرافیت و گاز فرآیند شود. چرخه‌های تمیز کردن می‌توانند مکانیسم تنش دیگری را معرفی کنند، زیرا همان جزء باید به طور مکرر هم در شیمی رسوب‌گذاری و هم در شیمی تمیز کردن محفظه زنده بماند.

برای تولید نیمه هادی، این یک حلقه بازخورد نامطلوب ایجاد می کند. تخریب سطحی وضعیت گیرنده را تغییر می دهد. یک گیرنده در حال تغییر می تواند مرز شیمیایی و حرارتی محلی اطراف ویفر را تغییر دهد. و تغییر مرز می تواند تکرارپذیری فرآیند را کاهش دهد.

بنابراین هدف از پوشش گرافیت صرفاً این نیست که قطعه را "مقاومتر در برابر خوردگی" کند. نگه داشتن آن استمرز رو به فرآیند در طول زمان پایدارتر می شود.

CVD SiC به عنوان یک رابط عملکردی بین گرافیت و فرآیند

یک پوشش CVD SiC یک سطح کاربید سیلیکون متراکم را روی بدنه گرافیت ماشینکاری شده ایجاد می کند. پوشش‌های SiC تجاری معمولاً با رسوب شیمیایی بخار در دماهای بالاتر از 1200 درجه سانتیگراد رسوب می‌کنند. SGL Carbon دمای رسوب معمولی 1200-1300 درجه سانتیگراد را گزارش می کند و به طور خاص تأکید می کند که رفتار انبساط حرارتی بستر گرافیت باید با پوشش مطابقت داشته باشد تا استرس حرارتی به حداقل برسد.

پس از رسوب، لایه SiC به عنوان رابط عملکردی بین گرافیت و جو راکتور عمل می کند. مقاومت شیمیایی آن حمله مستقیم به کربن زیرین را کاهش می دهد. چگالی آن قرار گرفتن مستقیم گرافیت در محیط فرآیند را محدود می کند. خلوص بالای آن سطح کنترل شده تری نزدیک به ویفر فراهم می کند و یکپارچگی مکانیکی آن به کاهش تولید ذرات مرتبط با فرسایش کمک می کند.

این مزایا به دست نخورده ماندن پوشش بستگی دارد. پوششی با یکنواختی ضخامت ضعیف، سوراخ‌های موضعی، تنش پسماند یا چسبندگی ضعیف ممکن است در نهایت ترک خورده یا لایه‌پوش شود. هنگامی که این اتفاق می افتد، گرافیت دوباره در معرض دید قرار می گیرد و عملکرد محافظتی به صورت محلی از بین می رود.

به همین دلیل، ضخامت پوشش به تنهایی یک معیار کیفیت معنی دار نیست. پارامترهای مهندسی مفیدتر ترکیبی ازخلوص، چگالی، زبری سطح، یکنواختی ضخامت، ریزساختار، سازگاری بستر و یکپارچگی رابط.

مرسن از همان رویکرد سیستم مواد در راهنمایی تجهیزات نیمه هادی خود پیروی می کند. این گرافیت فوق‌العاده خالص پوشیده شده با SiC را برای اپیتاکسی و MOCVD توصیف می‌کند و به طور خاص سازگاری CTE بین گرافیت و کاربید سیلیکون را به عنوان شرطی برای یکپارچگی پوشش طولانی‌مدت برجسته می‌کند.

از نظر عملی، جزء ایده آل آن چیزی نیست که ضخیم ترین لایه SiC را داشته باشد. این موردی است که در آن درجه گرافیت، معماری پوشش، تحمل ماشینکاری و شرایط عملیاتی به اندازه کافی مطابقت دارند تا در چرخه های فرآیند مکرر پایدار بمانند.

چگونه هندسه و صافی گیرنده بر یکنواختی دمای ویفر تأثیر می گذارد؟

ارزش یک گیرنده با پوشش SiC زمانی واضح تر می شود که جزء به عنوان بخشی از میدان حرارتی به جای صرفاً به عنوان یک ماده مصرفی در نظر گرفته شود.

مسیر انرژی در یک سیستم اپیتاکسی ساده شده را می توان به صورت زیر نشان داد:

منبع حرارت ← گیرنده گرافیت با پوشش SiC ← مرز حرارتی ویفر ← دمای ویفر ← رشد اپیتاکسیال

هر رابط مهم است. اگر سوسپتور دچار اعوجاج شود، اگر جیب ها بعد تغییر کنند، اگر رسوبات به طور ناموزون جمع شوند یا اگر پوشش به صورت موضعی از کار بیفتد، شرایط تجربه شده توسط ویفر ممکن است تغییر کند حتی زمانی که دستور راکتور اسمی بدون تغییر باقی بماند.

به همین دلیل است که ماشینکاری دقیق و کیفیت پوشش به خوبی به هم متصل هستند. SGL Carbon بر مشخصات پاکت، صافی، پرداخت سطح، خلوص و پوشش SiC همگن برای گیرنده‌های اپیتاکسی سیلیکونی تأکید می‌کند و همچنین ویژگی‌های گیرنده را به کیفیت لایه همپایی پیوند می‌دهد.

رابطه مشابهی در MOCVD وجود دارد. حامل های ویفر بسترها را از طریق یک میدان حرارتی و پیش ساز کنترل شده می چرخانند و رفتار حرارتی حامل به توزیع دمای ویفر کمک می کند. SGL Carbon اشاره می‌کند که گرافیت با خلوص بالا، پوشش‌های SiC همگن و تحمل‌های ابعادی محکم برای کنترل عملکرد حامل در برنامه‌های MOCVD مرتبط با LED و GaN استفاده می‌شود.

بنابراین این ادعا که پوشش SiC به تنهایی "بازده همپایی" را بهبود می بخشد، نادرست است. نتیجه مهندسی قابل دفاع تر این است که یک جزء گرافیت با پوشش SiC پایدار و با طراحی خوب به حفظشرایط مرزی حرارتی، شیمیایی و آلودگیبرای اپیتاکسی قابل تکرار لازم است.

این تمایز هم برای دقت فنی و هم برای صلاحیت تامین کننده مهم است.

چرا الزامات بین Silicon و SiC Epitaxy متفاوت است؟

مفهوم مواد زیرین برای اپیتاکسی سیلیکون و SiC مشابه است، اما شدت محیط عملیاتی متفاوت است.

در اپیتاکسی سیلیکونی، گیرنده های پوشش داده شده با خلوص بالا باید دقت ابعادی، یکنواختی حرارتی و سطح فرآیند تمیز را حفظ کنند. تامین کنندگان تجاری تاکید زیادی بر مسطح بودن، هندسه جیبی، تحمل ماشینکاری و همگنی پوشش دارند زیرا سوسپتور بخشی از سیستم گرمایش ویفر را تشکیل می دهد.

اپیتاکسی SiC به طور معمول استرس حرارتی و شیمیایی بیشتری را در ناحیه داغ ایجاد می کند. به عنوان مثال، رشد SiC مبتنی بر کلرید ممکن است در دمای حدود 1570 درجه سانتیگراد در مطالعات راکتور منتشر شده عمل کند. تحت چنین شرایطی، تخریب پوشش در نقاط داغ موضعی به‌ویژه مرتبط می‌شود، زیرا تغییرات در سطح گیرنده می‌تواند تکرارپذیری را در چندین اجرا تحت تأثیر قرار دهد.

بنابراین سوال مناسب این نیست که آیا پوشش SiC برای یک فرآیند بهتر از فرآیند دیگر است یا خیر. سوال درست این است که آیا معماری پوشش با واقعی سازگار است یا خیردما، شیمی گاز، سیکل حرارتی، روش تمیز کردن و هندسه اجزاء.

همین منطق در هنگام ارزیابی پوشش های جایگزین مانند TaC یا هنگام در نظر گرفتن اجزای جامد SiC اعمال می شود. انتخاب مواد باید به جای یک سلسله مراتب عمومی مواد، از محیط فرآیند پیروی کند.

تعیین گرافیت با پوشش SiC به عنوان یک جزء مهندسی

یک مشخصات فنی معنی دار با راکتور شروع می شود تا با پوشش.

تامین کننده باید قبل از تعریف گرافیت و الزامات پوشش، فرآیند اپیتاکسی، پیکربندی راکتور، اندازه ویفر، هندسه اجزاء، دمای عملیاتی، گازهای فرآیند و شیمی تمیز کردن را بداند. سپس ترسیم اجزا باید هندسه جیب، صافی، ابعاد بحرانی و پرداخت سطح را مشخص کند. تنها پس از درک این الزامات باید ضخامت، یکنواختی، زبری و معیارهای بازرسی پوشش نهایی شود.

این رویکرد RFQ را از یک درخواست کالا تغییر می دهد -

«نقل به الفگیرنده گرافیت با پوشش SiC"

-به یک مشخصات مهندسی که حول فرآیند واقعی ساخته شده است.

برای اجزای اپیتاکسی، هدف صرفاً به حداکثر رساندن طول عمر پوشش نیست. هدف حفظ مولفه ای است که پشتیبانی می کنددمای پایدار ویفر، آلودگی کنترل شده، خطر ذرات کم، ثبات ابعادی و شرایط رشد قابل تکراردر طول دوره خدمات مورد نظر خود

سوالات متداول

1. چرا گرافیت به صورت اپیتاکسی با کاربید سیلیکون پوشیده شده است؟

گرافیت قابلیت ماشینکاری و ویژگی‌های حرارتی مفیدی را فراهم می‌کند، در حالی که CVD SiC یک سطح شیمیایی پایدار و با خلوص بالا در برابر فرآیند فراهم می‌کند. این ترکیب به گیرنده‌های گرافیت پیچیده اجازه می‌دهد تا در محیط‌های نیمه‌رسانا سخت کار کنند.

2. چرا از گرافیت خالی استفاده نمی شود؟

گرافیت لخت می‌تواند با گازهای واکنش‌پذیر تعامل کند، ناخالصی‌ها را در معرض دید قرار دهد، زبر کند یا ذرات را در طول زمان تولید کند. یک پوشش متراکم SiC، گرافیت را از جو فرآیند جدا می کند.

3. آیا پوشش SiC آلودگی را از بین می برد؟

خیر. هنگامی که پوشش دست نخورده باقی می ماند، خطر آلودگی مربوط به گرافیت را کاهش می دهد، اما آلودگی همچنین می تواند از گازها، سطوح محفظه، رسوبات، جابجایی و سایر اجزای راکتور منشأ بگیرد.

4. آیا پوشش SiC بر عملکرد حرارتی تأثیر می گذارد؟

بله. پوشش، بستر گرافیت، هندسه اجزا و شرایط سطح با هم بر مرز حرارتی بین گیرنده و ویفر تأثیر می‌گذارند. بنابراین پوشش باید به عنوان بخشی از جزء کامل ارزیابی شود.

5. چه اطلاعاتی باید در RFQ گنجانده شود؟

یک RFQ مفید باید شامل مدل راکتور، نوع فرآیند، اندازه ویفر، ترسیم اجزا، دمای عملیاتی، گازهای فرآیند و پاک‌کننده، الزامات گرافیت، مشخصات پوشش، تحمل‌های بحرانی، پرداخت سطح، معیارهای بازرسی و مقدار مورد نیاز باشد.

مراجع

1. کربن SGL. گیرنده ها و اجزای گرافیت برای اپیتاکسی سیلیکون و SiC.

2. کربن SGL. SIGRAFINE® پوشش SiC.  

3. مرسن. تجهیزات فرآیند نیمه هادی - گرافیت فوق العاده خالص با پوشش سیلیکون کاربید. پدرسن، اچ و همکاران. رشد اپیتاکسی SiC با استفاده از CVD مبتنی بر کلرید. مجله رشد کریستال.