Сред многобройните въглеродни материали, пиролитният графит се откроява със своята силно контролируема слоеста структура и изключителна анизотропия. За разлика от естествения графит, пиролитният графит не се получава директно от минерали. Вместо това, той се произвежда чрез високотемпературно химическо отлагане от пари (CVD), при което въглеводородните газове се разлагат и отлагат в слоеве от въглеродни атоми при температури над 2000°C, което води до силно ориентирана и изключително чиста изкуствена графитна структура. Този прецизно контролируем метод на получаване му позволява да проявява зависими от ориентацията характеристики в ключови свойства като топлопроводимост, електрическа проводимост и магнитен отклик, характеристики, несравними с естествения графит.

I. Какво е пиролитичен графит?

Пиролитичният графит е силно ориентиран въглероден материал, получен чрез процес на високотемпературно пиролитично отлагане от пари (CVD). Обикновено той използва въглеводородни газове (като метан) за разлагане и отлагане на въглеродни атоми при условия на висока температура (обикновено >2000℃) и ниско налягане. След това тези атоми се подлагат на високотемпературно отгряване, за да се осигури силно подредено разположение на въглеродните слоеве, което води до графитна структура с изключително висока ориентация.

II. Предимства на пиролитния графит (PG) в полупроводниковите процеси

1. Йонна имплантация:

В процеса на йонна имплантация, PG се използва предимно за производство на високопрецизни гейтове (решетки) и електроди.

●Устойчивост на йонна имплантация: Йонните лъчи имат изключително висока енергия. Традиционните молибденови (Mo) или волфрамови (W) гейтове ще претърпят физическо разпрашване при продължително йонно бомбардиране. Това не само води до изтъняване и деформация на самия гейт, но и разпрашените метални атоми се превръщат в сериозен източник на замърсяване на метала. PG показва изключително силна устойчивост на разпрашителна корозия (изключително ниска скорост на ецване) и животът му обикновено е няколко пъти по-дълъг от този на металните компоненти.

●Подобрена точност на лъчевия ток: Тъй като PG е устойчив на износване, размерът на апертурата на гейта може да остане стабилен за дълъг период. Това гарантира, че фокусът и ъгълът на йонния лъч остават стабилни за дълъг период, което е от решаващо значение за напреднали процеси (като 7nm и 5nm), където изискванията за ъгъл на имплантиране са изключително високи.

●Отлично управление на температурата: Използвайки изключително високата топлопроводимост на PG в равнината (приблизително 4-5 пъти по-висока от тази на медта), той може бързо да разсее топлината, генерирана от йонното бомбардиране по равнината, предотвратявайки локализирано прегряване и деформация.

2. MOCVD и епитаксия: Използват се предимно за покритие на субстрати

При производството на светодиоди (GaN процес) или силициеви епитаксиални процеси, най-често използваният графитен субстрат (сусцептор) не е оригиналният графит на повърхността му, а обикновено е покрит с плътен слой от PG или SiC.

●Уплътнител: Въпреки че изостатично пресованият графит е плътен, той все пак е микроскопично порест, лесно адсорбира газове и освобождава частици или примеси при високи температури. PG покритието, отложено чрез CVD, постига плътност, близка до теоретичната плътност, като напълно запечатва графитната матрица, предотвратява падането на графитни частици и замърсяването на пластината, а също така блокира отделянето на примесни газове от вътрешността на графита.

●Устойчивост на химическа корозия: Процесът MOCVD използва големи количества амоняк (NH3) и металоорганични източници, които са изключително корозивни. PG слоят е химически изключително инертен, като ефективно предпазва вътрешния графитен субстрат от корозия.

●Излъчване на абсолютно черно тяло и равномерност на температурата: PG притежава отлични характеристики на излъчване на абсолютно черно тяло, което допринася за точността на инфрачервената термометрия. Неговата превъзходна топлопроводимост също така помага да се осигури по-равномерна повърхностна температура на субстрата, като директно определя дебелината и еднородността на състава на епитаксиалния слой.

3. Високотемпературни нагреватели:

Композитните нагреватели PBN/PG често се срещат в PVD или CVD камери с изключително високи изисквания за чистота. Тези нагреватели не използват традиционни метални проводници, а вместо това използват PG като нагревателен резисторен слой.

●Свръхчист нагревателен елемент: Металните нагревателни елементи са склонни към изпаряване на метални примеси при високи температури. Самият пиролитичен графит е въглерод, с чистота над 99.999%. Дори при следи от изпаряване, въглеродът е относително „приятелски“ елемент в полупроводниковите процеси (в сравнение със златото, медта, желязото и др.), което значително намалява риска от замърсяване на метала.

●Свръхбърза реакция: PG нагревателите имат много малък топлинен капацитет, което води до изключително бързи скорости на нагряване и охлаждане (термична реакция). Това е голямо предимство за процеси, изискващи бързо термично циклиране (RTP), като значително подобрява производителността.

●Персонализирано температурно поле: Чрез проектиране на пътя на веригата (серпентиново окабеляване) на PG слоя, разпределението на температурното поле може да бъде прецизно проектирано, за да компенсира загубите на топлина по краищата на кухината, постигайки изключително висока равномерност на температурата на пластината.

4. Плазмено ецване: електроди с „ниски загуби“

При сухо ецване, особено в силно корозивни среди, включващи газове на основата на флуор или хлор.

● Замяна на консумативи: Въпреки че монокристалният силиций или SiC също се използват като електроди, в някои персонализирани процеси, фокусиращите пръстени или електродните плочи, изработени от PG, поради тяхната плътност и химическа устойчивост, могат да намалят честотата на подмяна и да намалят разходите за притежание (CoO).

III. Приложения на пиролитичен графит в полупроводникови процеси

Поради високата си чистота, стабилност при високи температури, изключително ниска газопропускливост, отлична топлопроводимост и контролируема анизотропия, пиролитният графит (PG) се е превърнал в незаменим материал на въглеродна основа в полупроводниковото оборудване. В много критични технологични среди (висока температура, вакуум, плазма, корозивни газове), в сравнение с металите или керамиката, PG предлага по-висока стабилност и по-нисък риск от замърсяване и следователно се използва широко в оборудване за обработка на полупроводникови пластини и консумативи.

1. Приложения в CVD/PECVD/MOCVD оборудване

①Нагревателен субстрат и компоненти за термична хомогенизация

Пиролитичният графит (PG) може да се използва като високотемпературна нагревателна плоча или материал за задна плоча.

●Сусцептор в MOCVD епитаксиална реакционна камера за растеж

●Опорна конструкция на нагревателния елемент във високотемпературни CVD пещи

②Субстрат за покритие на сусцептора

Много MOCVD процеси използват пиролитичен графит, покрит със SiC.

Предимства на пиролитния графит:

●Ниска газопропускливост, осигуряваща стабилност на SiC покритието

● Без деформация при високи температури, поддържайки стабилно разпределение на температурата на пластината

●Леко тегло, намаляващо инерцията на въртящите се системи

Тигел с пиролитично графитно покритие

2. Приложения в оборудването за ецване

Структурни компоненти на облицовката на кухините и реакционната зона

Пиролитният графит показва отлична устойчивост на корозия и стабилност при висока температура в плазмени среди, което го прави подходящ като материал за облицовка на реакционни камери или консуматив:

●Компоненти на реакционната камера RIE и ICP

●Плазмени прегради, рефлектори

●Задни плочи на електродите или изолационни компоненти (в зависимост от дизайна)

3. Приложения при високотемпературно отгряване и термична обработка

Пиролитичният графит е ключов компонент в много пещи за високотемпературна термична обработка (>1000°C), включително:

●Бърза термична обработка (RTP)

●Епитаксиални пещи от силициев карбид (SiC)

●Високотемпературни пещи за отгряване

●Графитни лодки и принадлежности

4. Приложения при зареждане/трансфер на пластини и приспособления

PG, поради високата си чистота и ниското замърсяване с частици, се използва широко в следните компоненти:

●Пластов сусцептор

●Поставка/лодка за вафли

●Ръбен пръстен

●Преграда за газов поток

PG е особено подходящ за подложки за пластини при високотемпературна епитаксия или среди за химични реакции.

5. Приложения в йонната имплантация

Пиролитичният графит се използва като:

●Спиране на лъча

●Колиматор

●Компоненти за абсорбция на високоенергийни йони

6. Потенциални приложения в литографските системи

Въпреки че се използва по-рядко директно като оптични компоненти, пиролитният графит се използва и в:

●Капани за разсеяна светлина с висока абсорбция

●Терморегулиращи структури за оптични системи

Благодарение на отличните си характеристики на поглъщане на черно тяло, той може ефективно да потиска разсеяната светлина.