Међу бројним угљеничним материјалима, пиролитички графит се истиче својом високо контролисаном слојевитом структуром и екстремном анизотропијом. За разлику од природног графита, пиролитички графит није директно изведен из минерала. Уместо тога, производи се хемијским таложењем из паре на високим температурама (CVD), где се угљоводонични гасови разлажу и таложе у слојеве атома угљеника на температурама изнад 2000°C, што резултира високо оријентисаном и изузетно чистом вештачком структуром графита. Ова прецизно контролисана метода припреме омогућава му да покаже карактеристике зависне од оријентације у кључним својствима као што су топлотна проводљивост, електрична проводљивост и магнетни одзив, карактеристике које природни графит нема премца.

I. Шта је пиролитички графит?

Пиролитички графит је високо оријентисани угљенични материјал припремљен поступком пиролитичког таложења из паре (CVD) на високој температури. Обично користи угљоводоничне гасове (као што је метан) за разлагање и таложење атома угљеника под условима високе температуре (обично >2000℃) и ниског притиска. Ови атоми се затим подвргавају жарењу на високој температури како би се осигурао високо уређен распоред слојева угљеника, што резултира структуром графита са изузетно високом оријентацијом.

II. Предности пиролитичког графита (PG) у полупроводничким процесима

1. Јонска имплантација:

У процесу јонске имплантације, PG се првенствено користи за производњу високопрецизних капија (решетки) и електрода.

●Отпорност на јонску имплантацију: Јонски снопови имају изузетно високу енергију. Традиционалне капије од молибдена (Mo) или волфрама (W) подлежу физичком распршивању под продуженим јонским бомбардовањем. Ово не само да узрокује истањивање и деформацију саме капије, већ распршени атоми метала постају и озбиљан извор контаминације метала. PG показује изузетно јаку отпорност на корозију распршивањем (изузетно ниска брзина нагризања), а његов век трајања је обично неколико пута дужи од века трајања металних компоненти.

●Побољшана тачност струје снопа: Пошто је PG отпоран на хабање, величина отвора капије може остати стабилна током дужег периода. Ово осигурава да фокус и угао јонског снопа остану стабилни током дужег периода, што је кључно за напредне процесе (као што су 7nm и 5nm) где су захтеви за угао имплантације изузетно високи.

●Одлично управљање топлотом: Користећи изузетно високу топлотну проводљивост PG-а у равни (приближно 4-5 пута већу од бакра), може брзо да расипа топлоту генерисану јонским бомбардовањем дуж равни, спречавајући локализовано прегревање и деформацију.

2. MOCVD и епитаксија: Првенствено се користе за премазивање подлоге

У производњи ЛЕД диода (GaN процес) или силицијумским епитаксијалним процесима, најчешће коришћена графитна подлога (сусцептор) није оригинални графит на својој површини, већ је обично прекривена густим слојем PG или SiC.

●Заптивање: Иако је изостатички пресовани графит густ, он је и даље микроскопски порозан, лако апсорбује гасове и ослобађа честице или нечистоће на високим температурама. PG премаз, нанет CVD методом, постиже густину блиску теоријској густини, потпуно затварајући графитну матрицу, спречавајући честице графита да падну и контаминирају плочицу, а такође блокирајући ослобађање нечистоћа из графита.

●Отпорност на хемијску корозију: MOCVD процес користи велике количине амонијака (NH3) и метално-органских извора, који су изузетно корозивни. PG слој је хемијски изузетно инертан, ефикасно штитећи унутрашњу графитну подлогу од корозије.

●Зрачење црног тела и једнообразност температуре: PG поседује одличне карактеристике зрачења црног тела, доприносећи тачности инфрацрвене термометрије. Његова супериорна топлотна проводљивост такође помаже у обезбеђивању једнообразније површинске температуре подлоге, директно одређујући дебљину и једнообразност састава епитаксијалног слоја.

3. Грејачи високе температуре:

PBN/PG композитни грејачи се често налазе у PVD или CVD коморама са изузетно високим захтевима за чистоћу. Ови грејачи не користе традиционалне металне жице, већ користе PG као слој отпорника за грејање.

●Ултра чист грејни елемент: Метални грејни елементи су склони испаравању металних нечистоћа на високим температурама. Пиролитички графит сам по себи је угљеник, са чистоћом већом од 99.999%. Чак и са траговима испаравања, угљеник је релативно „пријатељски“ елемент у полупроводничким процесима (у поређењу са златом, бакром, гвожђем итд.), значајно смањујући ризик од контаминације метала.

●Ултрабрз одзив: ПГ грејачи имају веома мали топлотни капацитет, што резултира изузетно брзим брзинама загревања и хлађења (термички одзив). Ово је веома предно за процесе који захтевају брзо термичко циклирање (РТП), значајно побољшавајући проток.

●Прилагођено температурно поље: Дизајнирањем путање кола (серпентинског ожичења) PG слоја, расподела температурног поља може бити прецизно пројектована како би се компензовао губитак топлоте на ивицама шупљине, постижући изузетно високу уједначеност температуре плочице.

4. Плазма нагризање: електроде са „малим губицима“

Код сувог нагризања, посебно у високо корозивним срединама које укључују гасове на бази флуора или хлора.

● Замена потрошног материјала: Иако се монокристални силицијум или SiC такође користе као електроде, у одређеним прилагођеним процесима, фокусни прстенови или електродне плоче направљене од PG, због своје густине и хемијске отпорности, могу смањити учесталост замене и смањити трошкове власништва (CoO).

III. Примене пиролитичког графита у полупроводничким процесима

Због своје високе чистоће, стабилности на високим температурама, изузетно ниске пропустљивости гаса, одличне топлотне проводљивости и контролисане анизотропије, пиролитички графит (ПГ) је постао незаменљив материјал на бази угљеника у полупроводничкој опреми. У многим критичним процесним окружењима (висока температура, вакуум, плазма, корозивни гасови), у поређењу са металима или керамиком, ПГ нуди већу стабилност и мањи ризик од контаминације, те се стога широко користи у опреми за обраду полупроводничких плочица и потрошним компонентама.

1. Примене у CVD/PECVD/MOCVD опреми

①Грејна подлога и компоненте за термичку хомогенизацију

Пиролитички графит (ПГ) се може користити као материјал за грејну плочу или задњу плочу високе температуре.

●Сусцептор у MOCVD епитаксијалној реакционој комори за раст

●Носећа структура грејног елемента у високотемпературним CVD пећима

②Подлога за премаз сусцептора

Многи MOCVD процеси користе пиролитички графит обложен SiC-ом.

Предности пиролитичког графита:

●Ниска пропустљивост гаса, што обезбеђује стабилност SiC премаза

● Без деформације на високим температурама, одржавајући стабилну расподелу температуре плочице

●Лагана, смањујући инерцију ротирајућих система

Тиглица обложена пиролитичким графитом

2. Примене у опреми за нагризање

Структурне компоненте облоге шупљине и реакционе зоне

Пиролитички графит показује одличну отпорност на корозију и стабилност на високим температурама у плазма срединама, што га чини погодним као материјал за облагање реакционе коморе или потрошни материјал:

●RIE, ICP компоненте реакционе коморе

●Плазма преграде, рефлектори

●Задње плоче електрода или изолационе компоненте (у зависности од дизајна)

3. Примене у високотемпературном жарењу и термичкој обради

Пиролитички графит је кључни компонентни материјал у многим пећима за термичку обраду на високим температурама (>1000°C), укључујући:

●Брза термичка обрада (RTP)

●Епитаксијалне пећи од силицијум карбида (SiC)

●Пећи за жарење на високим температурама

●Графитни чамци и опрема

4. Примене у утовару/преносу плочица и причвршћивачима

ПГ, због своје високе чистоће и ниске контаминације честицама, широко се користи у следећим компонентама:

●Пластичасти сусцептор

●Посуда/чамац за вафле

●Ручни прстен

●Преграда за проток гаса

ПГ је посебно погодан за носаче плочица у окружењима високотемпературне епитаксе или хемијских реакција.

5. Примене у јонској имплантацији

Пиролитички графит се користи као:

●Заустављање снопа

●Колиматор

●Компоненте за апсорпцију високоенергетских јона

6. Потенцијалне примене у литографским системима

Иако се ређе користи директно као оптичке компоненте, пиролитички графит се такође користи у:

●Замке за расејану светлост са високом апсорпцијом

●Термичке контролне структуре за оптичке системе

Због својих одличних карактеристика апсорпције црног тела, може ефикасно сузбити расејану светлост.