Lukuisista hiilimateriaaleista pyrolyyttinen grafiitti erottuu erittäin hallittavan kerrosrakenteensa ja äärimmäisen anisotropiansa ansiosta. Toisin kuin luonnongrafiitti, pyrolyyttinen grafiitti ei ole suoraan mineraaleista johdettu. Sen sijaan se tuotetaan korkean lämpötilan kemiallisella höyrypinnoituksella (CVD), jossa hiilivetykaasut hajoavat ja kerrostuvat hiiliatomien kerroksiksi yli 2000 °C:n lämpötiloissa, mikä johtaa erittäin orientoituneeseen ja erittäin puhtaaseen keinotekoiseen grafiittirakenteeseen. Tämä tarkasti hallittava valmistusmenetelmä mahdollistaa sen, että sillä on orientaatiosta riippuvia ominaisuuksia keskeisissä ominaisuuksissa, kuten lämmönjohtavuudessa, sähkönjohtavuudessa ja magneettisessa vasteessa, jotka ovat ominaisuuksia, joita luonnongrafiitti ei pysty saavuttamaan.

I. Mikä on pyrolyyttinen grafiitti?

Pyrolyyttinen grafiitti on erittäin orientoitunut hiilimateriaali, joka valmistetaan korkean lämpötilan pyrolyyttisellä höyrypinnoitusprosessilla (CVD). Siinä käytetään tyypillisesti hiilivetykaasuja (kuten metaania) hiiliatomien hajottamiseen ja kerrostamiseen korkeassa lämpötilassa (yleensä > 2000 ℃) ja matalassa paineessa. Nämä atomit hehkutetaan sitten korkeassa lämpötilassa hiilikerrosten erittäin järjestäytyneen järjestelyn varmistamiseksi, mikä johtaa erittäin hyvin orientoituneeseen grafiittirakenteeseen.

II. Pyrolyyttisen grafiitin (PG) edut puolijohdeprosesseissa

1. Ioni-istutus:

Ioni-istutusprosessissa PG:tä käytetään pääasiassa erittäin tarkkojen porttien (verkkojen) ja elektrodien valmistukseen.

●Ioni-istutuksen kestävyys: Ionisuihkuilla on erittäin korkea energia. Perinteiset molybdeeni- (Mo) tai volframi- (W) portit sputteroituvat pitkäaikaisen ionipommituksen aikana. Tämä ei ainoastaan ​​aiheuta portin itsensä ohenemista ja muodonmuutosta, vaan sputteroiduista metalliatomeista tulee myös merkittävä metallikontaminaation lähde. PG:llä on erittäin vahva vastustuskyky sputterointikorroosiolle (erittäin alhainen etsausnopeus), ja sen käyttöikä on tyypillisesti useita kertoja metallikomponentteihin verrattuna.

● Parannettu sädevirran tarkkuus: Koska PG on kulutusta kestävää, portin aukon koko voi pysyä vakaana pitkän aikaa. Tämä varmistaa, että ionisuihkun fokuksen ja kulman pysyvät vakaina pitkän aikaa, mikä on ratkaisevan tärkeää edistyneissä prosesseissa (kuten 7 nm ja 5 nm), joissa implantaatiokulmavaatimukset ovat erittäin korkeat.

●Erinomainen lämmönhallinta: Hyödyntämällä PG:n erittäin korkeaa tasotason mukaista lämmönjohtavuutta (noin 4–5 kertaa kupariin verrattuna) se voi nopeasti haihduttaa ionipommitusten tuottaman lämmön tasoa pitkin estäen paikallisen ylikuumenemisen ja muodonmuutoksen.

2. MOCVD ja epitaksi: Käytetään ensisijaisesti substraatin pinnoittamiseen

LED-valmistuksessa (GaN-prosessi) tai piiepitaksiaaliprosesseissa yleisimmin käytetty grafiittisubstraatti (suskeptori) ei ole alkuperäinen grafiitti sen pinnalla, vaan se on yleensä peitetty tiheällä PG- tai SiC-kerroksella.

●Tiiviste: Vaikka isostaattisesti puristettu grafiitti on tiheää, se on silti mikroskooppisen huokoista ja adsorboi helposti kaasuja sekä vapauttaa hiukkasia tai epäpuhtauksia korkeissa lämpötiloissa. CVD-menetelmällä kerrostettu PG-pinnoite saavuttaa teoreettista tiheyttä lähellä olevan tiheyden, tiivistäen grafiittimatriisin täysin estäen grafiittihiukkasten putoamisen ja kiekon saastumisen sekä estämällä epäpuhtauskaasujen vapautumisen grafiitista.

●Kemiallinen korroosionkestävyys: MOCVD-prosessissa käytetään suuria määriä ammoniakkia (NH3) ja metalliorgaanisia yhdisteitä, jotka ovat erittäin syövyttäviä. PG-kerros on kemiallisesti erittäin inertti ja suojaa tehokkaasti sisäistä grafiittialustaa korroosiolta.

● Mustan kappaleen säteilyn ja lämpötilan tasaisuus: PG:llä on erinomaiset mustan kappaleen säteilyominaisuudet, mikä edistää infrapunalämpötilan mittauksen tarkkuutta. Sen erinomainen lämmönjohtavuus auttaa myös varmistamaan alustan tasaisemman pintalämpötilan, mikä määrää suoraan epitaksiaalisen kerroksen paksuuden ja koostumuksen tasaisuuden.

3. Korkean lämpötilan lämmittimet:

PBN/PG-komposiittilämmittimiä käytetään usein PVD- tai CVD-kammioissa, joilla on erittäin korkeat puhtausvaatimukset. Näissä lämmittimissä ei käytetä perinteisiä metallilankoja, vaan PG:tä lämmitysvastuskerroksena.

● Erittäin puhdas lämmityselementti: Metallilämmityselementit ovat alttiita haihtumaan metalliepäpuhtauksille korkeissa lämpötiloissa. Pyrolyyttinen grafiitti itsessään on hiiltä, ​​jonka puhtaus on yli 99.999 %. Jopa pienistä määristä haihtua hiili on suhteellisen "ystävällinen" alkuaine puolijohdeprosesseissa (verrattuna kultaan, kupariin, rautaan jne.), mikä vähentää merkittävästi metallikontaminaation riskiä.

● Erittäin nopea vaste: PG-lämmittimillä on hyvin pieni lämpökapasiteetti, mikä johtaa erittäin nopeaan lämmitys- ja jäähdytysnopeuteen (lämpövasteeseen). Tämä on erittäin edullista prosesseissa, jotka vaativat nopeaa lämpökierron sykliä (RTP), ja parantaa merkittävästi läpivirtausta.

● Mukautettu lämpötilakenttä: Suunnittelemalla PG-kerroksen piirireitin (serpentiinijohdotus) lämpötilakentän jakauma voidaan suunnitella tarkasti kompensoimaan lämpöhäviötä ontelon reunoilla, jolloin saavutetaan erittäin korkea kiekon lämpötilan tasaisuus.

4. Plasmaetsaus: "Vähäviöiset" elektrodit

Kuivaetsauksessa, erityisesti erittäin syövyttävissä ympäristöissä, joissa on fluori- tai klooripohjaisia ​​kaasuja.

● Kulutustarvikkeiden korvaaminen: Vaikka yksikiteistä piitä eli piikarbidia käytetään myös elektrodeina, tietyissä räätälöidyissä prosesseissa PG:stä valmistetut tarkennusrenkaat tai elektrodilevyt voivat tiheytensä ja kemikaalienkestävyytensä ansiosta vähentää vaihtotarvetta ja alentaa omistamisen kustannuksia.

III. Pyrolyyttisen grafiitin sovellukset puolijohdeprosesseissa

Korkean puhtautensa, korkean lämpötilan stabiiliutensa, erittäin alhaisen kaasunläpäisevyytensä, erinomaisen lämmönjohtavuutensa ja hallittavan anisotropiansa ansiosta pyrolyyttisestä grafiitista (PG) on tullut korvaamaton hiilipohjainen materiaali puolijohdelaitteissa. Monissa kriittisissä prosessiympäristöissä (korkea lämpötila, tyhjiö, plasma, syövyttävät kaasut) PG tarjoaa metalleihin tai keramiikkaan verrattuna paremman stabiilisuuden ja pienemmän kontaminaatioriskin, ja siksi sitä käytetään laajalti puolijohdekiekkojen käsittelylaitteissa ja kulutusosissa.

1. Sovellukset CVD/PECVD/MOCVD-laitteissa

①Lämmitysalusta ja lämpöhomogenisointikomponentit

Pyrolyyttistä grafiittia (PG) voidaan käyttää korkean lämpötilan lämmityslevynä tai taustalevyn materiaalina.

●Suskeptori MOCVD-epitaksiaalisessa kasvureaktiokammiossa

●Lämmityselementin tukirakenne korkean lämpötilan CVD-uuneissa

②Suskeptoripinnoitealusta

Monissa MOCVD-prosesseissa käytetään piikarbidilla päällystettyä pyrolyyttistä grafiittia.

Pyrolyyttisen grafiitin edut:

● Alhainen kaasunläpäisevyys, mikä varmistaa piikarbidipinnoitteen vakauden

● Ei muodonmuutoksia korkeissa lämpötiloissa, mikä ylläpitää vakaan kiekkojen lämpötilajakauman

Kevyt, mikä vähentää pyörivien järjestelmien inertiaa

Pyrolyyttinen grafiittipinnoitettu upokas

2. Sovellukset etsauslaitteissa

Onteloiden vuorauksen ja reaktiovyöhykkeen rakenneosat

Pyrolyyttinen grafiitti on erittäin korroosionkestävä ja kestää korkeita lämpötiloja plasmaympäristöissä, minkä ansiosta se soveltuu reaktiokammion vuorausmateriaaliksi tai kulutusmateriaaliksi:

●RIE- ja ICP-reaktiokammion komponentit

●Plasmalevyt, heijastimet

●Elektrodilevyt tai eristävät komponentit (mallista riippuen)

3. Sovellukset korkean lämpötilan hehkuttamisessa ja lämpökäsittelyssä

Pyrolyyttinen grafiitti on keskeinen komponenttimateriaali monissa korkean lämpötilan lämpökäsittelyuuneissa (> 1000 °C), mukaan lukien:

●Nopea lämpökäsittely (RTP)

●Piikarbidi (SiC) -epitaksiaaliset uunit

●Korkean lämpötilan hehkutusuunit

● Grafiittiveneet ja -kalusteet

4. Sovellukset kiekkojen lastauksessa/siirrossa ja kiinnityslaitteissa

Korkean puhtautensa ja alhaisen hiukkaspitoisuuden ansiosta PG:tä käytetään laajalti seuraavissa komponenteissa:

● Kiekkosuskeptori

● Kiekkojen kantolaite/vene

●Reunarengas

●Kaasuvirtauslevy

PG soveltuu erityisesti kiekkojen tukiin korkean lämpötilan epitaksiassa tai kemiallisissa reaktioympäristöissä.

5. Sovellukset ioni-istutuksessa

Pyrolyyttistä grafiittia käytetään seuraaviin tarkoituksiin:

●Säteen pysäytys

●Kollimaattori

●Suurenergiset ionien absorptiokomponentit

6. Mahdollisia sovelluksia litografiajärjestelmissä

Vaikka pyrolyyttistä grafiittia käytetään harvemmin suoraan optisina komponentteina, sitä käytetään myös:

●Korkeasti absorptiivinen hajavalonloukku

●Optisten järjestelmien lämmönsäätörakenteet

Erinomaisten mustan kappaleen absorptio-ominaisuuksiensa ansiosta se voi tehokkaasti vaimentaa hajavaloa.