Miksi grafiitti päällystetään piikarbidilla puolijohteen epitaksia varten?

Puolijohdeepitaksissa grafiittia valitaan harvoin yksinkertaisesti siksi, että se kestää korkeita lämpötiloja. Sen todellinen arvo on yhdistelmä koneistettavuutta, lämpövastetta, sähköistä käyttäytymistä ja kykyä muodostaa monimutkaisia ​​reaktorin komponentteja, kuten tynnyrisuskeptoreita, pannukakkususkeptoreita, yksikiekkopitimiä ja MOCVD-alustoja. Silti sama grafiittipinta, joka tarjoaa nämä edut, ei aina sovellu suoraan ja toistuvaan altistumiseen epitaksiympäristölle. Tästä syystä monet kriittiset grafiittikomponentit on suojattu tiheälläkemiallinen höyrysaostettu piikarbidipinnoite, luomalla sen, mitä yleisesti kuvataanSiC-pinnoitettu grafiitti.

Suunnittelukonsepti on yksinkertainen, mutta tärkeä: grafiittirunko tarjoaa rakenteellisen ja lämpöalustan, kun taas CVD SiC -kerroksesta tulee prosessiin päin oleva pinta. Tuloksena olevaa komponenttia on siksi pidettävä yhtenä integroituna materiaalijärjestelmänä eikä grafiittina, jossa on valinnainen suojakerros.

Miksi grafiitti on edelleen tärkeä epitaksireaktoreissa?

Epitaksisuskeptori tekee huomattavasti enemmän työtä kuin pelkkä kiekon pitäminen. Se määrittää kiekon mekaanisen asennon, osallistuu lämmönsiirtoon ja reaktorin suunnittelusta riippuen on vuorovaikutuksessa pyörimisen, induktiolämmityksen ja kaasuvirran kanssa. Pienet muutokset taskun syvyydessä, tasaisuudessa, pinnan profiilissa tai lämpökäyttäytymisessä voivat muuttaa paikallista kiekkoympäristöä ja lopulta vaikuttaa epitaksiaaliseen tasaisuuteen.

Tämä vaatimus selittää hienorakeisen ja isostaattisen grafiitin käytön jatkamisen. Grafiittia voidaan tarkkuustyöstää geometrioiksi, joiden valmistaminen monista tiheistä keraamisista materiaaleista olisi huomattavasti vaikeampaa tai kalliimpaa. Se tarjoaa myös lämpö- ja sähköominaisuudet, jotka ovat yhteensopivia useiden kuumaseinä- ja induktiolämmitteisten reaktorien konseptien kanssa.

Kaupalliselle piille jaSiC epitaksi, SGL Carbon tunnistaa lujan isostaattisen grafiitin päällystettyjen suskeptorien perusmateriaaliksi ja toteaa, että suskeptorimateriaalin laadulla on suora vaikutus epitaksiaalikerroksen laatuun. Tiukat mittatoleranssit, homogeeninen pinnoite ja puhtaus katsotaan siksi toisiinsa liittyviksi vaatimuksiksi eikä itsenäisiksi spesifikaatioiksi.

Vaikeutena on, että lämpökappaleen rakentamiseen sopiva materiaali ei välttämättä ole optimaalinen pinta kosketukseen prosessiilmakehän kanssa. Tämä ero on perussyy piikarbidin käyttöön.

Miksi paljas grafiitti ei ole ihanteellinen prosessia kohden pinta?

A paljas grafiittikomponenttitoimii ympäristössä, joka sisältää korkeita lämpötiloja, reaktiivisia esiastekaasuja ja toistuvaa lämmitystä ja jäähdytystä. Näissä olosuhteissa pinta voi vähitellen tulla osaksi reaktorin kemiaa.

Piikarbidin epitaksissa tämä ongelma on erityisen selvä. Julkaistu työ kloridipohjaisesta SiC CVD:stä kuvaa grafiittisuskeptoreita, jotka on päällystetty piikarbidilla erityisesti estämään epäpuhtauksien ja ylimääräisten hiilivetyjen vapautumista kuumasta grafiitista kasvun aikana. Sama työ raportoi, että piikarbidipinnoitteen hajoaminen kuumissa pisteissä voi vaikuttaa run-to-run -toistettavuuteen, mikä osoittaa, että suskeptoripinnan kunto voi tulla osaksi itse prosessia.

Riski on siis laajempi kuin pelkkä hapettuminen. Suora altistuminen voi johtaa kemialliseen hyökkäykseen, asteittaiseen pinnan karhentumiseen, hiukkasten vapautumiseen, epäpuhtauksien jäämien altistumiseen tai ei-toivottuihin reaktioihin grafiitin ja prosessikaasun välillä. Puhdistussyklit voivat tuoda esiin toisen jännitysmekanismin, koska saman komponentin on toistuvasti selviydyttävä sekä kerrostumiskemiasta että kammion puhdistuskemiasta.

Puolijohteiden tuotannossa tämä luo ei-toivotun takaisinkytkentäsilmukan. Pinnan hajoaminen muuttaa suskeptorin tilaa; muuttuva suskeptori voi muuttaa paikallista kemiallista ja termistä rajaa kiekon ympärillä; ja muuttuva raja voi heikentää prosessin toistettavuutta.

Grafiitin päällystämisen tarkoituksena ei siis ole vain tehdä osasta "korroosionkestävämpi". Se on pitääprosessiin päin oleva raja vakaampi ajan myötä.

CVD SiC toiminnallisena rajapinnana grafiitin ja prosessin välillä

CVD SiC -pinnoite luo tiheän piikarbidipinnan koneistetun grafiittirungon päälle. Kaupalliset piikarbidipinnoitteet kerrostetaan yleensä kemiallisella höyrypinnoituksella yli noin 1 200 °C:n lämpötiloissa. SGL Carbon raportoi tyypillisiksi kerrostumislämpötiloiksi 1 200–1 300 °C ja korostaa erityisesti, että grafiittisubstraatin lämpölaajenemiskäyttäytyminen on sovitettava pinnoitteeseen lämpörasituksen minimoimiseksi.

Kerättyään piikarbidikerros toimii toiminnallisena rajapintana grafiitin ja reaktorin ilmakehän välillä. Sen kemiallinen kestävyys vähentää suoraa hyökkäystä alla olevaan hiileen. Sen tiheys rajoittaa grafiitin suoraa altistumista prosessiympäristölle. Sen korkea puhtaus tarjoaa hallitun pinnan lähellä kiekkoa, ja sen mekaaninen eheys auttaa vähentämään eroosion aiheuttamaa hiukkasten muodostumista.

Nämä edut riippuvat pinnoitteen säilymisestä ehjänä. Pinnoite, jonka paksuus on huono, paikallisia reikiä, jäännösjännitystä tai heikko tarttuvuus, voi lopulta halkeilla tai delaminoitua. Kun näin tapahtuu, grafiitti paljastuu uudelleen ja suojatoiminto menetetään paikallisesti.

Tästä syystä pinnoitteen paksuus ei yksinään ole merkityksellinen laatumittari. Hyödyllisemmät tekniset parametrit ovat yhdistelmäpuhtaus, tiheys, pinnan karheus, paksuuden tasaisuus, mikrorakenne, alustan yhteensopivuus ja rajapinnan eheys.

Mersen noudattaa samaa materiaalijärjestelmää koskevaa lähestymistapaa puolijohdelaitteiden ohjauksessa. Siinä kuvataan erittäin puhdasta grafiittia, joka on päällystetty piikarbidilla epitaksia ja MOCVD:tä varten, ja korostetaan erityisesti grafiitin ja piikarbidin CTE-yhteensopivuutta edellytyksenä pinnoitteen pitkäaikaiselle eheydelle.

Käytännössä ihanteellinen komponentti ei ole se, jonka piikarbidikerros on paksuin. Se on sellainen, jossa grafiittilaatu, pinnoitearkkitehtuuri, koneistustoleranssit ja käyttöolosuhteet sopivat riittävän hyvin pysyäkseen vakaina toistuvien prosessijaksojen aikana.

Kuinka suskeptorigeometria ja tasaisuus vaikuttavat kiekkojen lämpötilan tasaisuuteen?

SiC-pinnoitetun suskeptorin arvo tulee selvemmäksi, kun komponenttia tarkastellaan osana lämpökenttää eikä pelkästään kulutustavarana.

Energiapolku yksinkertaistetussa epitaksijärjestelmässä voidaan esittää seuraavasti:

Lämmönlähde → SiC-päällystetty grafiittisuskeptori → kiekon lämpöraja → kiekon lämpötila → epitaksiaalinen kasvu

Jokaisella käyttöliittymällä on merkitystä. Jos suskeptori vääntyy, jos taskut muuttuvat, jos kerrostumat kerääntyvät epätasaisesti tai jos pinnoite hajoaa paikallisesti, kiekon kokemat olosuhteet voivat muuttua, vaikka reaktorin nimellinen resepti pysyy ennallaan.

Tästä syystä tarkkuustyöstö ja pinnoitteen laatu liittyvät tiiviisti toisiinsa. SGL Carbon korostaa taskuprofiilia, tasaisuutta, pinnan viimeistelyä, puhtautta ja homogeenista piikarbidipinnoitetta silikoniepitaksisuskeptoreissa ja yhdistää myös suskeptoriominaisuudet epitaksikerroksen laatuun.

Samanlainen suhde on olemassa MOCVD:ssä. Kiekkokannattimet pyörittävät substraatteja kontrolloidun lämpö- ja esiastekentän läpi, ja alustan lämpökäyttäytyminen myötävaikuttaa kiekkojen lämpötilan jakautumiseen. SGL Carbon huomauttaa, että erittäin puhdasta grafiittia, homogeenisia piikarbidipinnoitteita ja tiukkoja mittatoleransseja käytetään kantoaallon suorituskyvyn ohjaamiseen LED- ja GaN-liitännäisissä MOCVD-sovelluksissa.

Siksi olisi epätarkkoja väittää, että piikarbidipinnoite yksinään "parantaa epitaksiaalista saantoa". Perusteltavampi tekninen johtopäätös on, että vakaa, hyvin suunniteltu piikarbidilla päällystetty grafiittikomponentti auttaa ylläpitämääntermiset, kemialliset ja saastumisen rajaolosuhteettarvitaan toistettavaan epitaksiin.

Tämä ero on tärkeä sekä teknisen tarkkuuden että toimittajan pätevyyden kannalta.

Miksi Piin ja SiC Epitaxyn vaatimukset eroavat?

Taustalla oleva materiaalikonsepti on samanlainen piin ja piikarbidin epitaksissa, mutta käyttöympäristön vakavuus on erilainen.

Pii-epitaksissa erittäin puhtaasti päällystettyjen suskeptoreiden on säilytettävä mittatarkkuus, lämpötasaisuus ja puhdas prosessipinta. Kaupalliset toimittajat painottavat voimakkaasti tasaisuutta, taskugeometriaa, koneistustoleranssia ja pinnoitteen homogeenisuutta, koska suskeptori on osa kiekkojen lämmitysjärjestelmää.

SiC epitaksi aiheuttaa tyypillisesti enemmän lämpöä ja kemiallista rasitusta kuumalle alueelle. Esimerkiksi kloridipohjainen piikarbidikasvatus voi toimia noin 1 570 °C:n lämpötiloissa julkaistuissa reaktoritutkimuksissa. Tällaisissa olosuhteissa pinnoitteen hajoaminen paikallisissa kuumissa pisteissä tulee erityisen merkitykselliseksi, koska muutokset suskeptoripinnassa voivat vaikuttaa toistettavuuteen useiden ajojen aikana.

Asianmukainen kysymys ei siis ole, onko piikarbidipinnoitus "parempi" yhteen prosessiin kuin toiseen. Oikea kysymys on, onko pinnoitearkkitehtuuri yhteensopiva todellisen kanssalämpötila, kaasukemia, lämpökierto, puhdistusmenetelmä ja komponenttien geometria.

Sama logiikka pätee arvioitaessa vaihtoehtoisia pinnoitteita, kuten TaC, tai kun harkitaan kiinteitä piikarbidikomponentteja. Materiaalivalinnan tulisi noudattaa prosessiympäristöä yleisen materiaalihierarkian sijaan.

Piikarbidilla päällystetyn grafiitin määrittäminen tekniseksi komponentiksi

Teknisesti mielekäs määrittely alkaa reaktorista eikä pinnoittamisesta.

Toimittajan tulee ymmärtää epitaksiprosessi, reaktorin kokoonpano, kiekkojen koko, komponenttien geometria, käyttölämpötila, prosessikaasut ja puhdistuskemia ennen grafiitti- ja pinnoitusvaatimusten määrittelemistä. Komponenttipiirustuksen tulee sitten määrittää taskun geometria, tasaisuus, kriittiset mitat ja pinnan viimeistely. Vasta kun nämä vaatimukset on ymmärretty, pinnoitteen paksuus, tasaisuus, karheus ja tarkastuskriteerit tulee viimeistellä.

Tämä lähestymistapa muuttaa tarjouspyynnön hyödykepyynnöstä -

"Lainaus aSiC-pinnoitettu grafiittisuskeptori.”

— todellisen prosessin ympärille rakennettuun tekniseen spesifikaatioon.

Epitaksikomponenttien tavoitteena ei ole pelkästään pinnoitteen käyttöiän maksimointi. Tavoitteena on ylläpitää komponenttia, joka tukeevakaa kiekkojen lämpötila, hallittu kontaminaatio, alhainen hiukkasriski, mittasuhteet ja toistettavat kasvuolosuhteetkoko sen aiotun käyttöajan.

FAQ

1. Miksi grafiitti päällystetään piikarbidilla epitaksissa?

Grafiitti tarjoaa työstettävyyden ja hyödylliset lämpöominaisuudet, kun taas CVD SiC tarjoaa kemiallisesti vakaan, erittäin puhtaan prosessiin päin olevan pinnan. Yhdistelmän ansiosta monimutkaiset grafiittisuskeptorit voivat toimia vaativissa puolijohdeympäristöissä.

2.Miksi et käytä paljaata grafiittia?

Paljas grafiitti voi olla vuorovaikutuksessa reaktiivisten kaasujen kanssa, paljastaa epäpuhtaudet, karhentaa tai tuottaa hiukkasia ajan myötä. Tiheä piikarbidipinnoite erottaa grafiitin prosessiilmakehästä.

3. Poistaako piikarbidipinnoite kontaminaatiota?

Ei. Se vähentää grafiittiin liittyvää kontaminaatioriskiä, ​​kun pinnoite pysyy ehjänä, mutta kontaminaatio voi olla peräisin myös kaasuista, kammion pinnoilta, kerrostumista, käsittelystä ja muista reaktorin komponenteista.

4. Vaikuttaako piikarbidipinnoite lämpötehoon?

Kyllä. Pinnoite, grafiittisubstraatti, komponenttien geometria ja pinnan kunto yhdessä vaikuttavat suskeptorin ja kiekon väliseen lämpörajaan. Pinnoite on siksi arvioitava osana koko komponenttia.

5. Mitä tietoja tarjouspyyntöön tulisi sisällyttää?

Hyödyllinen tarjouspyyntö sisältää reaktorin mallin, prosessityypin, kiekon koon, komponenttien piirustuksen, käyttölämpötilan, prosessi- ja puhdistuskaasut, grafiittivaatimukset, pinnoitteen tekniset tiedot, kriittiset toleranssit, pinnan viimeistelyn, tarkastuskriteerit ja vaaditun määrän.

Viitteet

1. SGL Carbon. Grafiittisuskeptorit ja komponentit pii- ja piikarbidiepitaksiin.

2. SGL Carbon. SIGRAFINE® SiC -pinnoite.  

3. Mersen. Puolijohdeprosessilaitteet – piikarbidilla päällystetty ultrapuhdas grafiitti. Pedersen, H. et ai. SiC Epitaxy Growth käyttämällä kloridipohjaista CVD:tä. Journal of Crystal Growth.