เหตุใดกราไฟท์จึงเคลือบด้วยซิลิคอนคาร์ไบด์สำหรับเซมิคอนดักเตอร์ Epitaxy

ในเซมิคอนดักเตอร์เอพิแทกซี กราไฟต์มักไม่ค่อยถูกเลือกเพียงเพราะสามารถทนต่ออุณหภูมิสูงได้ คุณค่าที่แท้จริงอยู่ที่การผสมผสานระหว่างความสามารถในการขึ้นรูป การตอบสนองความร้อน พฤติกรรมทางไฟฟ้า และความสามารถในการสร้างส่วนประกอบเครื่องปฏิกรณ์ที่ซับซ้อน เช่น ตัวรับแบบบาร์เรล ตัวรับแพนเค้ก ตัวจับยึดเวเฟอร์เดี่ยว และตัวพา MOCVD แต่พื้นผิวกราไฟท์แบบเดียวกันที่ให้ข้อดีเหล่านี้กลับไม่เหมาะสำหรับการสัมผัสกับสภาพแวดล้อม epitaxy โดยตรงและซ้ำๆ เสมอไป นี่คือเหตุผลว่าทำไมส่วนประกอบกราไฟท์ที่สำคัญจำนวนมากจึงได้รับการปกป้องด้วยความหนาแน่นไอสารเคมีเคลือบซิลิกอนคาร์ไบด์การสร้างสิ่งที่เรียกกันโดยทั่วไปว่ากราไฟท์เคลือบ SiC.

แนวคิดทางวิศวกรรมนั้นเรียบง่ายแต่สำคัญ: ตัวกราไฟต์เป็นแพลตฟอร์มด้านโครงสร้างและระบายความร้อน ในขณะที่ชั้น CVD SiC จะกลายเป็นพื้นผิวที่หันหน้าเข้าหากระบวนการ ดังนั้นส่วนประกอบที่ได้จะต้องถือเป็นระบบวัสดุแบบรวมระบบเดียว แทนที่จะเป็นกราไฟท์ที่มีชั้นป้องกันเสริม

เหตุใดกราไฟท์จึงยังคงมีความสำคัญในเครื่องปฏิกรณ์ Epitaxy

ตัวรับความรู้สึก epitaxy ทำงานได้มากกว่าการถือเวเฟอร์เพียงอย่างเดียว โดยจะกำหนดตำแหน่งเชิงกลของแผ่นเวเฟอร์ มีส่วนร่วมในการถ่ายเทความร้อน และขึ้นอยู่กับการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ ซึ่งจะโต้ตอบกับการหมุน การเหนี่ยวนำความร้อน และการไหลของก๊าซ การเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในความลึกของหลุม ความเรียบ ลักษณะพื้นผิว หรือพฤติกรรมทางความร้อน สามารถเปลี่ยนแปลงสภาพแวดล้อมของเวเฟอร์ในพื้นที่ และส่งผลต่อความสม่ำเสมอของเยื่อบุผิวในท้ายที่สุด

ข้อกำหนดนี้อธิบายถึงการใช้กราไฟท์เกรนละเอียดและไอโซสแตติกอย่างต่อเนื่อง กราไฟต์สามารถกลึงด้วยเครื่องจักรอย่างแม่นยำให้เป็นรูปทรงต่างๆ ซึ่งอาจยากกว่าหรือมีราคาแพงมากในการผลิตจากวัสดุเซรามิกที่มีความหนาแน่นหลายชนิด นอกจากนี้ยังมีคุณลักษณะทางความร้อนและไฟฟ้าที่เข้ากันได้กับแนวคิดเครื่องปฏิกรณ์แบบผนังร้อนและแบบเหนี่ยวนำหลายแบบ

สำหรับซิลิคอนเชิงพาณิชย์และSiC epitaxy, SGL Carbon ระบุว่ากราไฟท์ไอโซสแตติกความแข็งแรงสูงเป็นวัสดุฐานสำหรับตัวรับที่เคลือบ และหมายเหตุว่าคุณภาพของวัสดุตัวรับมีอิทธิพลโดยตรงต่อคุณภาพของชั้นเอพิเทเชียล ความคลาดเคลื่อนของขนาดที่จำกัด การเคลือบที่เป็นเนื้อเดียวกัน และความบริสุทธิ์จึงถือเป็นข้อกำหนดที่เชื่อมโยงกันมากกว่าข้อกำหนดเฉพาะที่เป็นอิสระ

ปัญหาคือวัสดุที่เหมาะสมสำหรับการสร้างตัวระบายความร้อนไม่จำเป็นต้องเป็นพื้นผิวที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการสัมผัสกับบรรยากาศของกระบวนการ ความแตกต่างนี้เป็นเหตุผลพื้นฐานในการใช้ซิลิกอนคาร์ไบด์

เหตุใดกราไฟท์เปลือยจึงไม่เหมาะกับพื้นผิวที่หันหน้าเข้าหากระบวนการ

A ส่วนประกอบกราไฟท์เปลือยทำงานในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง มีก๊าซตั้งต้นที่เกิดปฏิกิริยา และการทำความร้อนและความเย็นซ้ำๆ ภายใต้สภาวะเหล่านี้ พื้นผิวอาจค่อยๆ กลายเป็นส่วนหนึ่งของเคมีของเครื่องปฏิกรณ์

ในซิลิคอนคาร์ไบด์ epitaxy ปัญหานี้ชัดเจนเป็นพิเศษ งานที่ตีพิมพ์เกี่ยวกับ SiC CVD ที่มีคลอไรด์เป็นพื้นฐาน อธิบายถึงตัวรับกราไฟท์ที่เคลือบด้วย SiC โดยเฉพาะเพื่อป้องกันสิ่งเจือปนและไฮโดรคาร์บอนเพิ่มเติมไม่ให้ถูกปล่อยออกมาจากกราไฟท์ร้อนในระหว่างการเจริญเติบโต งานเดียวกันนี้รายงานว่าการเสื่อมสภาพของการเคลือบ SiC ที่จุดร้อนอาจส่งผลต่อความสามารถในการทำซ้ำแบบ run-to-run ซึ่งแสดงให้เห็นว่าสภาพของพื้นผิวตัวรับสามารถกลายเป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการได้

ความเสี่ยงจึงกว้างกว่าการเกิดออกซิเดชันอย่างง่าย การสัมผัสโดยตรงอาจนำไปสู่การโจมตีทางเคมี การทำให้ผิวขรุขระมากขึ้น การปลดปล่อยอนุภาค การสัมผัสกับสิ่งเจือปนเล็กน้อย หรือปฏิกิริยาที่ไม่พึงประสงค์ระหว่างกราไฟต์และก๊าซในกระบวนการ รอบการทำความสะอาดอาจทำให้เกิดกลไกความเค้นอีกแบบหนึ่งได้ เนื่องจากส่วนประกอบเดียวกันจะต้องรอดซ้ำๆ ทั้งเคมีจากการสะสมและเคมีในการทำความสะอาดห้องเพาะเลี้ยง

สำหรับการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ สิ่งนี้จะสร้างวงจรป้อนกลับที่ไม่พึงประสงค์ การเสื่อมสภาพของพื้นผิวจะเปลี่ยนสภาพของตัวรับ ตัวรับที่เปลี่ยนแปลงสามารถปรับเปลี่ยนขอบเขตทางเคมีและความร้อนในท้องถิ่นรอบแผ่นเวเฟอร์ได้ และขอบเขตที่เปลี่ยนแปลงสามารถลดความสามารถในการทำซ้ำของกระบวนการได้

วัตถุประสงค์ของการเคลือบกราไฟท์จึงไม่เพียงแต่ทำให้ชิ้นส่วน “ทนทานต่อการกัดกร่อนมากขึ้น” ก็คือการรักษาขอบเขตที่เผชิญกับกระบวนการมีเสถียรภาพมากขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป.

CVD SiC เป็นส่วนเชื่อมต่อเชิงฟังก์ชันระหว่างกราไฟท์และกระบวนการ

การเคลือบ CVD SiC จะสร้างพื้นผิวซิลิคอนคาร์ไบด์ที่มีความหนาแน่นสูงเหนือตัวกราไฟท์ที่กลึงด้วยเครื่องจักร การเคลือบ SiC เชิงพาณิชย์มักเกิดการสะสมโดยการสะสมไอสารเคมีที่อุณหภูมิสูงกว่าประมาณ 1,200°C SGL Carbon รายงานอุณหภูมิการสะสมโดยทั่วไปที่ 1,200–1,300°C และเน้นเป็นพิเศษว่าพฤติกรรมการขยายตัวเนื่องจากความร้อนของซับสเตรตกราไฟต์ควรสอดคล้องกับการเคลือบเพื่อลดความเครียดจากความร้อน

เมื่อสะสมแล้ว ชั้น SiC จะทำหน้าที่เป็นส่วนต่อประสานการทำงานระหว่างกราไฟต์และบรรยากาศของเครื่องปฏิกรณ์ ความต้านทานต่อสารเคมีช่วยลดการโจมตีคาร์บอนที่อยู่เบื้องล่างโดยตรง ความหนาแน่นของมันจำกัดการสัมผัสกราไฟท์โดยตรงต่อสภาพแวดล้อมของกระบวนการ ความบริสุทธิ์สูงช่วยให้ควบคุมพื้นผิวใกล้กับเวเฟอร์ได้มากขึ้น และความสมบูรณ์ทางกลช่วยลดการสร้างอนุภาคที่เกี่ยวข้องกับการกัดเซาะ

ข้อดีเหล่านี้ขึ้นอยู่กับการเคลือบที่ยังคงสภาพเดิม สารเคลือบที่มีความหนาสม่ำเสมอต่ำ รูเข็มเฉพาะจุด ความเค้นตกค้าง หรือการยึดเกาะที่อ่อนแออาจแตกหรือหลุดร่อนได้ในที่สุด เมื่อสิ่งนั้นเกิดขึ้น กราไฟท์จะถูกเปิดออกอีกครั้ง และฟังก์ชันการป้องกันจะหายไปในพื้นที่

ด้วยเหตุนี้ ความหนาของชั้นเคลือบเพียงอย่างเดียวจึงไม่ใช่ตัวชี้วัดคุณภาพที่มีความหมาย พารามิเตอร์ทางวิศวกรรมที่มีประโยชน์มากกว่าคือการรวมกันของความบริสุทธิ์ ความหนาแน่น ความหยาบของพื้นผิว ความสม่ำเสมอของความหนา โครงสร้างจุลภาค ความเข้ากันได้ของพื้นผิว และความสมบูรณ์ของอินเทอร์เฟซ.

Mersen ปฏิบัติตามแนวทางระบบวัสดุแบบเดียวกันในคำแนะนำเกี่ยวกับอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ โดยอธิบายกราไฟท์บริสุทธิ์พิเศษที่เคลือบด้วย SiC สำหรับเอพิแทกซีและ MOCVD และเน้นย้ำความเข้ากันได้ของ CTE ระหว่างกราไฟท์และซิลิกอนคาร์ไบด์โดยเฉพาะว่าเป็นเงื่อนไขสำหรับความสมบูรณ์ของการเคลือบในระยะยาว

ในทางปฏิบัติ ส่วนประกอบในอุดมคติไม่ใช่องค์ประกอบที่มีชั้น SiC ที่หนาที่สุด ซึ่งเป็นเกรดที่เกรดกราไฟต์ สถาปัตยกรรมการเคลือบ พิกัดความเผื่อของการตัดเฉือน และสภาวะการทำงานได้รับการจับคู่กันเป็นอย่างดีเพียงพอที่จะรักษาความเสถียรผ่านรอบกระบวนการซ้ำๆ

เรขาคณิตและความเรียบของตัวรับส่งผลต่อความสม่ำเสมอของอุณหภูมิเวเฟอร์อย่างไร

ค่าของตัวรับที่เคลือบ SiC จะมีความชัดเจนมากขึ้นเมื่อส่วนประกอบถูกมองว่าเป็นส่วนหนึ่งของสนามความร้อน แทนที่จะเป็นเพียงวัสดุสิ้นเปลืองเท่านั้น

เส้นทางพลังงานในระบบ epitaxy แบบง่ายสามารถแสดงได้ดังนี้:

แหล่งความร้อน → ตัวรับกราไฟท์ที่เคลือบด้วย SiC → ขอบความร้อนของเวเฟอร์ → อุณหภูมิของเวเฟอร์ → การเจริญเติบโตของอีพิแอกเซียล

แต่ละอินเทอร์เฟซมีความสำคัญ ถ้าตัวรับเกิดการบิดเบี้ยว ถ้าหลุมเปลี่ยนขนาด ถ้าคราบสะสมไม่สม่ำเสมอ หรือถ้าการเคลือบล้มเหลวเฉพาะที่ เงื่อนไขที่เวเฟอร์ประสบอาจเปลี่ยนแปลงแม้ว่าสูตรเครื่องปฏิกรณ์ที่ระบุยังคงไม่เปลี่ยนแปลงก็ตาม

นี่คือเหตุผลว่าทำไมการตัดเฉือนที่มีความเที่ยงตรงและคุณภาพการเคลือบจึงเชื่อมโยงกันอย่างแน่นหนา SGL Carbon เน้นที่โปรไฟล์พ็อกเก็ต ความเรียบ พื้นผิวสำเร็จ ความบริสุทธิ์ และการเคลือบ SiC ที่เป็นเนื้อเดียวกันสำหรับตัวรับความรู้สึกซิลิคอนเอพิแทกซี และยังเชื่อมโยงคุณสมบัติของตัวรับกับคุณภาพของชั้นเอพิเทแอกเซียล

มีความสัมพันธ์ที่คล้ายกันอยู่ใน MOCVD ตัวพาเวเฟอร์จะหมุนซับสเตรตผ่านสนามความร้อนและสารตั้งต้นที่ควบคุม และพฤติกรรมทางความร้อนของตัวพาจะทำให้เกิดการกระจายอุณหภูมิของเวเฟอร์ SGL Carbon ตั้งข้อสังเกตว่ากราไฟท์ที่มีความบริสุทธิ์สูง การเคลือบ SiC ที่เป็นเนื้อเดียวกัน และพิกัดความเผื่อขนาดที่แคบ ถูกนำมาใช้เพื่อควบคุมประสิทธิภาพของตัวพาในการใช้งาน LED และ MOCVD ที่เกี่ยวข้องกับ GaN

ดังนั้นจึงไม่ถูกต้องที่จะอ้างว่าการเคลือบ SiC เพียงอย่างเดียว "ช่วยเพิ่มผลผลิตของเยื่อบุผิว" ข้อสรุปทางวิศวกรรมที่สามารถป้องกันได้มากขึ้นคือส่วนประกอบกราไฟท์เคลือบ SiC ที่ได้รับการออกแบบมาอย่างดีและมีเสถียรภาพช่วยรักษาสภาวะขอบเขตความร้อน เคมี และการปนเปื้อนจำเป็นสำหรับ epitaxy ที่ทำซ้ำได้

ความแตกต่างดังกล่าวมีความสำคัญต่อความถูกต้องทางเทคนิคและคุณสมบัติของซัพพลายเออร์

เหตุใดข้อกำหนดจึงแตกต่างกันระหว่าง Silicon และ SiC Epitaxy

แนวคิดเกี่ยวกับวัสดุพื้นฐานนั้นคล้ายคลึงกันสำหรับซิลิคอนและ SiC epitaxy แต่ความรุนแรงของสภาพแวดล้อมการทำงานจะแตกต่างกัน

ในซิลิคอนเอพิแทกซี ซัสเซปเตอร์ที่เคลือบด้วยความบริสุทธิ์สูงจะต้องรักษาความแม่นยำของมิติ ความสม่ำเสมอทางความร้อน และพื้นผิวกระบวนการที่สะอาด ซัพพลายเออร์เชิงพาณิชย์ให้ความสำคัญอย่างยิ่งกับความเรียบ รูปทรง Pocket ความทนทานต่อการตัดเฉือน และความเป็นเนื้อเดียวกันของการเคลือบ เนื่องจากตัวรับเป็นส่วนหนึ่งของระบบทำความร้อนด้วยแผ่นเวเฟอร์

โดยทั่วไปแล้ว SiC epitaxy จะทำให้เกิดความเครียดจากความร้อนและสารเคมีมากขึ้นในบริเวณที่ร้อน ตัวอย่างเช่น การเติบโตของ SiC ที่ใช้คลอไรด์อาจทำงานที่อุณหภูมิประมาณ 1,570°C ในการศึกษาเครื่องปฏิกรณ์ที่เผยแพร่ ภายใต้สภาวะดังกล่าว การเสื่อมสภาพของสารเคลือบที่จุดร้อนเฉพาะจุดจะมีความเกี่ยวข้องเป็นพิเศษ เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงในพื้นผิวตัวรับอาจส่งผลต่อความสามารถในการทำซ้ำในการทำงานหลายครั้ง

คำถามที่เหมาะสมจึงไม่ใช่ว่าการเคลือบ SiC “ดีกว่า” สำหรับกระบวนการหนึ่งมากกว่าอีกกระบวนการหนึ่งหรือไม่ คำถามที่ถูกต้องคือสถาปัตยกรรมการเคลือบเข้ากันได้กับของจริงหรือไม่อุณหภูมิ เคมีของก๊าซ วัฏจักรความร้อน วิธีการทำความสะอาด และเรขาคณิตของส่วนประกอบ.

ตรรกะเดียวกันนี้ใช้กับการประเมินการเคลือบทางเลือก เช่น TaC หรือเมื่อพิจารณาส่วนประกอบ SiC ที่เป็นของแข็ง การเลือกวัสดุควรเป็นไปตามสภาพแวดล้อมของกระบวนการมากกว่าลำดับชั้นวัสดุทั่วไป

การระบุกราไฟท์เคลือบ SiC เป็นส่วนประกอบทางวิศวกรรม

ข้อมูลจำเพาะที่มีความหมายทางเทคนิคเริ่มต้นด้วยเครื่องปฏิกรณ์มากกว่าการเคลือบ

ซัพพลายเออร์ควรเข้าใจกระบวนการเอพิแทกซี การกำหนดค่าเครื่องปฏิกรณ์ ขนาดเวเฟอร์ รูปทรงของส่วนประกอบ อุณหภูมิในการทำงาน ก๊าซในกระบวนการ และเคมีในการทำความสะอาด ก่อนที่จะกำหนดข้อกำหนดของกราไฟท์และการเคลือบ การเขียนแบบส่วนประกอบควรกำหนดรูปทรงของหลุม ความเรียบ ขนาดที่สำคัญ และผิวสำเร็จ หลังจากที่เข้าใจข้อกำหนดเหล่านี้แล้วเท่านั้นจึงควรสรุปความหนาของการเคลือบ ความสม่ำเสมอ ความหยาบ และเกณฑ์การตรวจสอบ

วิธีการนี้จะเปลี่ยน RFQ จากคำขอสินค้า—

“อ้างกตัวรับกราไฟท์เคลือบ SiC”

—ตามข้อกำหนดทางวิศวกรรมที่สร้างขึ้นตามกระบวนการจริง

สำหรับส่วนประกอบอีพิแทกซี วัตถุประสงค์ไม่ได้เป็นเพียงการเพิ่มอายุการใช้งานการเคลือบให้สูงสุดเท่านั้น วัตถุประสงค์คือเพื่อรักษาส่วนประกอบที่รองรับอุณหภูมิเวเฟอร์ที่เสถียร การปนเปื้อนที่ควบคุมได้ ความเสี่ยงของอนุภาคต่ำ ความสม่ำเสมอของขนาด และสภาวะการเติบโตที่ทำซ้ำได้ตลอดระยะเวลาการให้บริการที่กำหนด

คำถามที่พบบ่อย

1. เหตุใดกราไฟท์จึงเคลือบด้วยซิลิคอนคาร์ไบด์ในเอพิแทกซี

กราไฟต์ให้ความสามารถในการขึ้นรูปและคุณลักษณะทางความร้อนที่เป็นประโยชน์ ในขณะที่ CVD SiC ให้พื้นผิวหันหน้าไปทางกระบวนการที่มีความเสถียรทางเคมีและมีความบริสุทธิ์สูง การผสมผสานนี้ช่วยให้ตัวรับกราไฟท์ที่ซับซ้อนสามารถทำงานได้ในสภาพแวดล้อมแบบเซมิคอนดักเตอร์ที่มีความต้องการสูง

2.ทำไมไม่ใช้กราไฟท์เปลือย?

กราไฟท์เปลือยสามารถทำปฏิกิริยากับก๊าซที่เกิดปฏิกิริยา เผยให้เห็นสิ่งเจือปน ทำให้หยาบหรือสร้างอนุภาคเมื่อเวลาผ่านไป การเคลือบ SiC ที่มีความหนาแน่นจะแยกกราไฟท์ออกจากบรรยากาศกระบวนการ

3.การเคลือบ SiC ขจัดการปนเปื้อนหรือไม่

ไม่ โดยจะช่วยลดความเสี่ยงในการปนเปื้อนที่เกี่ยวข้องกับกราไฟต์เมื่อการเคลือบยังคงสภาพเดิม แต่การปนเปื้อนยังสามารถเกิดจากก๊าซ พื้นผิวห้องเพาะเลี้ยง คราบสะสม การจัดการ และส่วนประกอบเครื่องปฏิกรณ์อื่นๆ

4.การเคลือบ SiC ส่งผลต่อประสิทธิภาพการระบายความร้อนหรือไม่

ใช่. การเคลือบ พื้นผิวกราไฟท์ รูปทรงของส่วนประกอบ และสภาพพื้นผิว ร่วมกันมีอิทธิพลต่อขอบเขตความร้อนระหว่างตัวรับและเวเฟอร์ ดังนั้นควรประเมินการเคลือบโดยเป็นส่วนหนึ่งของส่วนประกอบที่สมบูรณ์

5.ข้อมูลใดบ้างที่ควรรวมอยู่ใน RFQ

RFQ ที่เป็นประโยชน์ควรรวมถึงแบบจำลองเครื่องปฏิกรณ์ ประเภทกระบวนการ ขนาดแผ่นเวเฟอร์ การวาดส่วนประกอบ อุณหภูมิในการทำงาน ก๊าซในกระบวนการและการทำความสะอาด ข้อกำหนดของกราไฟท์ ข้อกำหนดการเคลือบ ความคลาดเคลื่อนวิกฤต ผิวสำเร็จของพื้นผิว เกณฑ์การตรวจสอบ และปริมาณที่ต้องการ

อ้างอิง

1. เอสจีแอล คาร์บอน. ตัวรับกราไฟท์และส่วนประกอบสำหรับซิลิคอนและ SiC Epitaxy

2. เอสจีแอล คาร์บอน. การเคลือบ SiC SIGRAFINE®  

3. เมอร์เซน. อุปกรณ์กระบวนการเซมิคอนดักเตอร์ — กราไฟท์บริสุทธิ์พิเศษเคลือบด้วยซิลิคอนคาร์ไบด์ เพเดอร์เซน, เอช. และคณะ การเจริญเติบโตของ SiC Epitaxy โดยใช้ CVD ที่มีคลอไรด์ วารสารการเติบโตของคริสตัล