Серед численних вуглецевих матеріалів піролітичний графіт вирізняється своєю високо контрольованою шаруватою структурою та надзвичайною анізотропією. На відміну від природного графіту, піролітичний графіт не отримують безпосередньо з мінералів. Натомість його отримують методом високотемпературного хімічного осадження з парової фази (CVD), де вуглеводневі гази розкладаються та осідають у шари атомів вуглецю за температур вище 2000°C, що призводить до утворення високоорієнтованої та надзвичайно чистої штучної структури графіту. Цей точно контрольований метод отримання дозволяє йому проявляти орієнтаційно-залежні характеристики в ключових властивостях, таких як теплопровідність, електропровідність та магнітна реакція, характеристики, які не мають собі рівних у природному графіті.

I. Що таке піролітичний графіт?

Піролітичний графіт — це високоорієнтований вуглецевий матеріал, отриманий за допомогою високотемпературного процесу піролітичного осадження з парової фази (CVD). Зазвичай у ньому використовуються вуглеводневі гази (такі як метан) для розкладання та осадження атомів вуглецю за умов високої температури (зазвичай >2000℃) та низького тиску. Потім ці атоми піддаються високотемпературному відпалу, щоб забезпечити високовпорядковане розташування вуглецевих шарів, що призводить до структури графіту з надзвичайно високою орієнтацією.

II. Переваги піролітичного графіту (ПГ) у напівпровідникових процесах

1. Іонна імплантація:

У процесі іонної імплантації PG в основному використовується для виготовлення високоточних затворів (сіток) та електродів.

●Стійкість до іонної імплантації: Іонні пучки мають надзвичайно високу енергію. Традиційні затвори з молібдену (Mo) або вольфраму (W) піддаються фізичному розпиленню під час тривалого іонного бомбардування. Це не тільки призводить до стоншення та деформації самого затвора, але й розпилені атоми металу стають серйозним джерелом забруднення металу. PG демонструє надзвичайно високу стійкість до корозії розпилення (надзвичайно низька швидкість травлення), а термін його служби зазвичай у кілька разів перевищує термін служби металевих компонентів.

● Підвищена точність вимірювання струму променя: Оскільки PG є зносостійким, розмір апертури затвора може залишатися стабільним протягом тривалого періоду. Це забезпечує стабільність фокуса та кута іонного променя протягом тривалого часу, що є критично важливим для передових процесів (таких як 7 нм та 5 нм), де вимоги до кута імплантації надзвичайно високі.

●Відмінне терморегулювання: Використовуючи надзвичайно високу теплопровідність PG в площині (приблизно в 4-5 разів вищу, ніж у міді), він може швидко розсіювати тепло, що утворюється внаслідок іонного бомбардування вздовж площини, запобігаючи локальному перегріву та деформації.

2. MOCVD та епітаксія: в основному використовуються для покриття підкладки

У виробництві світлодіодів (процес GaN) або кремнієвих епітаксіальних процесах найчастіше використовується графітова підкладка (сусцептор) не з оригінального графіту на її поверхні, а зазвичай покрита щільним шаром PG або SiC.

●Герметик: Хоча ізостатично пресований графіт має щільність, він все ще мікроскопічно пористий, легко адсорбує гази та вивільняє частинки або домішки за високих температур. Покриття PG, нанесене методом CVD, досягає щільності, близької до теоретичної, повністю герметизуючи графітову матрицю, запобігаючи падінню частинок графіту та забрудненню пластини, а також блокуючи виділення домішкових газів зсередини графіту.

●Хімічна корозійна стійкість: У процесі MOCVD використовується велика кількість аміаку (NH3) та металоорганічних джерел, які є надзвичайно корозійними. Шар PG хімічно надзвичайно інертний, ефективно захищаючи внутрішню графітову підкладку від корозії.

●Випромінювання чорного тіла та однорідність температури: PG має чудові характеристики випромінювання чорного тіла, що сприяє точності інфрачервоної термометрії. Його чудова теплопровідність також допомагає забезпечити більш однорідну температуру поверхні підкладки, безпосередньо визначаючи товщину та однорідність складу епітаксіального шару.

3. Високотемпературні обігрівачі:

Композитні нагрівачі PBN/PG часто використовуються в камерах PVD або CVD з надзвичайно високими вимогами до чистоти. Ці нагрівачі не використовують традиційні металеві дроти, а натомість використовують PG як шар нагрівального резистора.

●Надчистий нагрівальний елемент: Металеві нагрівальні елементи схильні до випаровування металевих домішок за високих температур. Піролітичний графіт сам по собі є вуглецем, чистота якого перевищує 99.999%. Навіть за наявності слідових кількостей випаровування вуглець є відносно «дружнім» елементом у напівпровідникових процесах (порівняно із золотом, міддю, залізом тощо), що значно знижує ризик забруднення металу.

●Надшвидка реакція: Нагрівачі PG мають дуже малу теплоємність, що призводить до надзвичайно швидкого нагрівання та охолодження (теплова реакція). Це дуже вигідно для процесів, що потребують швидкого термоциклування (RTP), значно покращуючи продуктивність.

● Налаштоване температурне поле: Завдяки розробці контуру (серпантинної схеми) шару PG, розподіл температурного поля може бути точно спроектований для компенсації втрат тепла на краях порожнини, досягаючи надзвичайно високої рівномірності температури пластини.

4. Плазмове травлення: електроди з «низькими втратами»

При сухому травленні, особливо у висококорозійних середовищах, що містять гази на основі фтору або хлору.

●Заміна витратних матеріалів: Хоча монокристалічний кремній або SiC також використовується як електроди, у деяких спеціалізованих процесах фокусувальні кільця або електродні пластини, виготовлені з PG, завдяки своїй щільності та хімічній стійкості можуть зменшити частоту заміни та знизити вартість володіння (CoO).

III. Застосування піролітичного графіту в напівпровідникових процесах

Завдяки високій чистоті, стабільності за високих температур, надзвичайно низькій газопроникності, чудовій теплопровідності та контрольованій анізотропії, піролітичний графіт (ПГ) став незамінним вуглецевим матеріалом у напівпровідниковому обладнанні. У багатьох критичних технологічних середовищах (висока температура, вакуум, плазма, агресивні гази), порівняно з металами або керамікою, ПГ пропонує вищу стабільність та нижчий ризик забруднення, тому широко використовується в обладнанні для обробки напівпровідникових пластин та витратних компонентах.

1. Застосування в обладнанні CVD/PECVD/MOCVD

①Нагрівач-підкладка та компоненти термічної гомогенізації

Піролітичний графіт (PG) може бути використаний як високотемпературна нагрівальна пластина або матеріал задньої пластини.

●Сусцептор у реакційній камері епітаксіального росту MOCVD

●Опорна конструкція нагрівального елемента у високотемпературних печеях CVD

②Підкладка покриття сусцептора

Багато процесів MOCVD використовують піролітичний графіт з покриттям SiC.

Переваги піролітичного графіту:

●Низька газопроникність, що забезпечує стабільність покриття SiC

●Відсутність деформації за високих температур, підтримка стабільного розподілу температури пластини

●Легка вага, що зменшує інерцію обертових систем

Тигель з піролітичним графітовим покриттям

2. Застосування в травильному обладнанні

Футеровка порожнини та структурні компоненти реакційної зони

Піролітичний графіт демонструє чудову корозійну стійкість та стабільність за високих температур у плазмових середовищах, що робить його придатним як матеріал для футеровки реакційних камер або витратний матеріал:

●Компоненти реакційної камери RIE, ICP

●Плазмові перегородки, відбивачі

●Задні пластини електродів або ізоляційні компоненти (залежно від конструкції)

3. Застосування у високотемпературному відпалі та термічній обробці

Піролітичний графіт є ключовим компонентом багатьох високотемпературних печей для термічної обробки (>1000°C), зокрема:

●Швидка термічна обробка (RTP)

●Епітаксіальні печі з карбіду кремнію (SiC)

●Високотемпературні печі для відпалу

●Графітові човни та обладнання

4. Застосування в завантаженні/перенесенні пластин та кріпленнях

PG, завдяки високій чистоті та низькому вмісту твердих частинок, широко використовується в таких компонентах:

●Пластиковий сусцептор

●Вафельний контейнер/човник

●Крайне кільце

●Газовий дефлектор

PG особливо підходить для носіїв пластин у середовищах високотемпературної епітаксії або хімічних реакцій.

5. Застосування в іонній імплантації

Піролітичний графіт використовується як:

●Зупинка променя

●Коліматор

●Компоненти поглинання високоенергетичних іонів

6. Потенційні застосування в літографічних системах

Хоча піролітичний графіт рідше використовується безпосередньо як оптичні компоненти, він також використовується в:

●Пастки розсіяного світла з високим поглинанням

●Терморегулювальні конструкції для оптичних систем

Завдяки чудовим характеристикам поглинання чорного тіла, він може ефективно пригнічувати розсіяне світло.