Számos széntartalmú anyag közül a pirolitikus grafit kiemelkedik a könnyen szabályozható réteges szerkezetével és extrém anizotrópiájával. A természetes grafittal ellentétben a pirolitikus grafit nem közvetlenül ásványokból származik. Ehelyett magas hőmérsékletű kémiai gőzfázisú leválasztással (CVD) állítják elő, ahol a szénhidrogén gázok lebomlanak és 2000°C feletti hőmérsékleten szénatomok rétegeibe rakódnak le, ami egy erősen orientált és rendkívül tiszta mesterséges grafitszerkezetet eredményez. Ez a pontosan szabályozható előállítási módszer lehetővé teszi, hogy orientációfüggő jellemzőket mutasson olyan kulcsfontosságú tulajdonságokban, mint a hővezető képesség, az elektromos vezetőképesség és a mágneses válasz, amelyekhez a természetes grafit nem hasonlítható.

I. Mi a pirolitikus grafit?

A pirolitikus grafit egy erősen orientált szénanyag, amelyet magas hőmérsékletű pirolitikus gőzfázisú leválasztással (CVD) állítanak elő. Jellemzően szénhidrogén gázokat (például metánt) használ a szénatomok lebontására és lerakódására magas hőmérsékleten (általában >2000℃) és alacsony nyomáson. Ezeket az atomokat ezután magas hőmérsékletű hőkezelésnek vetik alá, hogy biztosítsák a szénrétegek rendezett elrendeződését, ami rendkívül magas orientációjú grafitszerkezetet eredményez.

II. A pirolitikus grafit (PG) előnyei a félvezető folyamatokban

1. Ionbeültetés:

Az ionimplantációs eljárásban a PG-t elsősorban nagy pontosságú kapuk (rácsok) és elektródák gyártására használják.

●Ionbeültetési ellenállás: Az ionsugarak rendkívül nagy energiájúak. A hagyományos molibdén (Mo) vagy volfrám (W) kapuk fizikai porlasztáson mennek keresztül hosszan tartó ionbombázás alatt. Ez nemcsak a kapu elvékonyodását és deformálódását okozza, hanem a porlasztott fématomok is komoly fémszennyeződési forrássá válnak. A PG rendkívül erős ellenállást mutat a porlasztási korrózióval szemben (rendkívül alacsony marási sebesség), és élettartama jellemzően többszöröse a fém alkatrészek élettartamának.

●Javított nyalábáram-pontosság: Mivel a PG kopásálló, a kapu nyílásmérete hosszú ideig stabil maradhat. Ez biztosítja, hogy az ionnyaláb fókusza és szöge hosszú ideig stabil maradjon, ami kulcsfontosságú a fejlett folyamatoknál (például a 7 nm-es és 5 nm-es eljárásoknál), ahol a beültetési szögre vonatkozó követelmények rendkívül magasak.

● Kiváló hőkezelés: A PG rendkívül magas síkbeli hővezető képességét kihasználva (körülbelül 4-5-szöröse a rézének) gyorsan elvezeti az ionbombázás által termelt hőt a sík mentén, megakadályozva a lokalizált túlmelegedést és deformációt.

2. MOCVD és epitaxia: Elsősorban aljzatbevonatokhoz használják

A LED-gyártásban (GaN eljárás) vagy szilícium-epitaxiális eljárásokban a leggyakrabban használt grafithordozó (szuszceptor) nem az eredeti grafit a felületén, hanem általában egy sűrű PG vagy SiC réteggel van bevonva.

●Tömítőanyag: Bár az izosztatikusan préselt grafit sűrű, mikroszkopikusan porózus, könnyen adszorbeálja a gázokat, és magas hőmérsékleten részecskéket vagy szennyeződéseket szabadít fel. A CVD-vel lerakódott PG bevonat az elméleti sűrűséghez közeli sűrűséget ér el, teljesen lezárja a grafitmátrixot, megakadályozza a grafitrészecskék leesését és a lapka szennyeződését, valamint blokkolja a szennyező gázok felszabadulását a grafitból.

● Kémiai korrózióállóság: Az MOCVD eljárás nagy mennyiségű ammóniát (NH3) és fémorganikus forrásokat használ, amelyek rendkívül korrozívak. A PG réteg kémiailag rendkívül inert, így hatékonyan védi a belső grafit hordozót a korróziótól.

● Feketetest-sugárzás és hőmérséklet-egyenletesség: A PG kiváló feketetest-sugárzási tulajdonságokkal rendelkezik, ami hozzájárul az infravörös hőmérés pontosságához. Kiváló hővezető képessége segít biztosítani az aljzat egyenletesebb felületi hőmérsékletét, közvetlenül meghatározva az epitaxiális réteg vastagságát és összetételének egyenletességét.

3. Magas hőmérsékletű fűtőberendezések:

A PBN/PG kompozit fűtőberendezéseket gyakran használják PVD vagy CVD kamrákban, ahol rendkívül magasak a tisztasági követelmények. Ezek a fűtőberendezések nem hagyományos fémhuzalokat használnak, hanem PG-t fűtőellenállás rétegként.

●Ultra-tiszta fűtőelem: A fém fűtőelemek hajlamosak a fémszennyeződések elpárologtatására magas hőmérsékleten. A pirolitikus grafit maga szén, amelynek tisztasága meghaladja a 99.999%-ot. Még nyomokban előforduló elpárolgás esetén is a szén viszonylag „barátságos” elem a félvezető folyamatokban (az arannyal, rézzel, vassal stb. összehasonlítva), ami jelentősen csökkenti a fémszennyeződés kockázatát.

● Ultragyors válaszidő: A PG fűtőberendezések nagyon kis hőkapacitással rendelkeznek, ami rendkívül gyors felmelegedési és hűtési sebességet (termikus válaszidőt) eredményez. Ez rendkívül előnyös a gyors hőciklust (RTP) igénylő folyamatoknál, jelentősen javítva az áteresztőképességet.

● Testreszabott hőmérsékleti mező: A PG réteg áramköri útvonalának (kígyózó vezetékezés) megtervezésével a hőmérsékleti mező eloszlása ​​pontosan úgy alakítható ki, hogy kompenzálja a hőveszteséget az üreg szélein, így rendkívül magas ostyahőmérséklet-egyenletességet érve el.

4. Plazmamaratás: „Kis veszteségű” elektródák

Száraz maratásnál, különösen fluor- vagy klóralapú gázokat tartalmazó, erősen korrozív környezetben.

●Készülékek cseréje: Bár az egykristályos szilíciumot vagy SiC-t elektródaként is használják, bizonyos egyedi folyamatokban a PG-ből készült fókuszgyűrűk vagy elektródalemezek sűrűségük és kémiai ellenállásuk miatt csökkenthetik a csere gyakoriságát és a tulajdonlási költséget (CoO).

III. Pirolitikus grafit alkalmazásai félvezető folyamatokban

Nagy tisztasága, magas hőmérsékleti stabilitása, rendkívül alacsony gázáteresztő képessége, kiváló hővezető képessége és szabályozható anizotrópiája miatt a pirolitikus grafit (PG) nélkülözhetetlen szén alapú anyaggá vált a félvezető berendezésekben. Számos kritikus folyamatkörnyezetben (magas hőmérséklet, vákuum, plazma, korrozív gázok) a fémekhez vagy kerámiákhoz képest a PG nagyobb stabilitást és alacsonyabb szennyeződési kockázatot kínál, ezért széles körben használják félvezető ostyafeldolgozó berendezésekben és fogyóeszközökben.

1. Alkalmazások CVD/PECVD/MOCVD berendezésekben

①Fűtőfelület és termikus homogenizációs alkatrészek

A pirolitikus grafit (PG) magas hőmérsékletű fűtőlapként vagy hátlap anyagként használható.

● Szuszceptor MOCVD epitaxiális növekedési reakciókamrában

●Fűtőelem tartószerkezete magas hőmérsékletű CVD kemencékben

②Szuszceptor bevonó hordozó

Sok MOCVD eljárás SiC-bevonatú pirolitikus grafitot használ.

A pirolitikus grafit előnyei:

● Alacsony gázáteresztő képesség, ami biztosítja a SiC bevonat stabilitását

● Magas hőmérsékleten nem deformálódik, így stabil ostyahőmérséklet-eloszlást biztosít

● Könnyű, csökkenti a forgó rendszerek tehetetlenségét

Pirolitikus grafit bevonatú tégely

2. Alkalmazások maratógépekben

Üregbélelés és reakciózóna szerkezeti elemei

A pirolitikus grafit kiváló korrózióállóságot és magas hőmérsékleti stabilitást mutat plazma környezetben, így alkalmassá teszi reakciókamra bélésanyagként vagy fogyóeszközként:

●RIE, ICP reakciókamra alkatrészek

●Plazma terelőlapok, reflektorok

●Elektróda hátlapok vagy szigetelő alkatrészek (a kialakítástól függően)

3. Alkalmazások magas hőmérsékletű lágyításban és hőkezelésben

A pirolitikus grafit kulcsfontosságú alkotóeleme számos magas hőmérsékletű hőkezelő kemencének (>1000°C), beleértve a következőket:

●Gyors hőfeldolgozás (RTP)

●Szilícium-karbid (SiC) epitaxiális kemencék

●Magas hőmérsékletű lágyító kemencék

●Grafit hajók és szerelvények

4. Alkalmazások ostyaadagolásban/átvitelben és rögzítésekben

A PG-t nagy tisztasága és alacsony részecskeszennyezettsége miatt széles körben használják a következő alkatrészekben:

● Ostya szuszceptor

● Ostyahordozó/Csónak

●Élgyűrű

●Gázáramlás-terelőlemez

A PG különösen alkalmas ostyatartókhoz magas hőmérsékletű epitaxiális vagy kémiai reakciós környezetben.

5. Alkalmazások az ionimplantációban

A pirolitikus grafitot a következő célokra használják:

●Sugármegállítás

●Kollimátor

● Nagy energiájú ionelnyelő komponensek

6. Lehetséges alkalmazások litográfiai rendszerekben

Bár ritkábban használják közvetlenül optikai alkatrészként, a pirolitikus grafitot a következőkben is alkalmazzák:

● Nagy elnyelőképességű kóborfény-csapdák

● Optikai rendszerekhez tartozó hőszabályozó struktúrák

Kiváló feketetest-elnyelő tulajdonságainak köszönhetően hatékonyan elnyomja a kóválygó fényt.