Blandt adskillige kulstofmaterialer skiller pyrolytisk grafit sig ud ved sin yderst kontrollerbare lagstruktur og ekstreme anisotropi. I modsætning til naturlig grafit er pyrolytisk grafit ikke direkte udvundet af mineraler. I stedet produceres den gennem højtemperatur kemisk dampaflejring (CVD), hvor kulbrintegasser nedbrydes og aflejres i lag af kulstofatomer ved temperaturer over 2000 °C, hvilket resulterer i en yderst orienteret og ekstremt ren kunstig grafitstruktur. Denne præcist kontrollerbare fremstillingsmetode gør det muligt for den at udvise orienteringsafhængige egenskaber i nøgleegenskaber såsom termisk ledningsevne, elektrisk ledningsevne og magnetisk respons, egenskaber der ikke kan matches af naturlig grafit.

I. Hvad er pyrolytisk grafit?

Pyrolytisk grafit er et højorienteret kulstofmateriale, der fremstilles gennem en højtemperatur pyrolytisk dampaflejringsproces (CVD). Det bruger typisk kulbrintegasser (såsom metan) til at nedbryde og aflejre kulstofatomer under høje temperaturer (normalt >2000 ℃) og lavt tryk. Disse atomer udsættes derefter for højtemperaturglødning for at sikre en meget ordnet arrangement af kulstoflagene, hvilket resulterer i en grafitstruktur med ekstremt høj orientering.

II. Fordele ved pyrolytisk grafit (PG) i halvlederprocesser

1. Ionimplantation:

I ionimplantationsprocessen bruges PG primært til at fremstille højpræcisionsgates (gitre) og elektroder.

● Modstand mod ionimplantation: Ionstråler har ekstremt høj energi. Traditionelle molybdæn (Mo) eller wolfram (W) porte vil undergå fysisk sputtering under langvarig ionbombardement. Dette får ikke kun selve porten til at blive tyndere og deformeret, men de sputterede metalatomer bliver også en alvorlig kilde til metalforurening. PG udviser ekstremt stærk modstandsdygtighed over for sputterkorrosion (ekstremt lav ætsningshastighed), og dens levetid er typisk flere gange så lang som metalkomponenters.

● Forbedret strålestrømsnøjagtighed: Da PG er slidstærk, kan gatens åbningsstørrelse forblive stabil over en længere periode. Dette sikrer, at ionstrålens fokus og vinkel forbliver stabile over en længere periode, hvilket er afgørende for avancerede processer (såsom 7 nm og 5 nm), hvor kravene til implantationsvinklen er ekstremt høje.

● Fremragende termisk styring: Ved at udnytte PG's ekstremt høje varmeledningsevne i planet (ca. 4-5 gange kobbers) kan den hurtigt sprede varmen, der genereres af ionbombardement, langs planet og forhindre lokal overophedning og deformation.

2. MOCVD og epitaksi: Anvendes primært til substratbelægning

I LED-fremstilling (GaN-processen) eller epitaksiale siliciumprocesser er det mest almindeligt anvendte grafitsubstrat (Susceptor) ikke den originale grafit på overfladen, men er normalt dækket af et tæt lag PG eller SiC.

●Forsegler: Selvom isostatisk presset grafit er tæt, er den stadig mikroskopisk porøs og adsorberer let gasser og frigiver partikler eller urenheder ved høje temperaturer. PG-belægningen, der er afsat via CVD, opnår en tæthed tæt på den teoretiske tæthed, hvilket forsegler grafitmatrixen fuldstændigt, forhindrer grafitpartikler i at falde ned og forurene waferen, og blokerer også frigivelsen af ​​urenheder i grafitten.

● Kemisk korrosionsbestandighed: MOCVD-processen bruger store mængder ammoniak (NH3) og metalorganiske kilder, som er ekstremt korrosive. PG-laget er kemisk ekstremt inert og beskytter effektivt det indre grafitsubstrat mod korrosion.

● Sortlegemestråling og temperaturensartethed: PG har fremragende sortlegemestrålingsegenskaber, hvilket bidrager til nøjagtigheden af ​​infrarød termometri. Dens overlegne varmeledningsevne hjælper også med at sikre en mere ensartet overfladetemperatur på substratet, hvilket direkte bestemmer tykkelsen og sammensætningens ensartethed af det epitaksiale lag.

3. Højtemperaturvarmere:

PBN/PG-kompositvarmere findes ofte i PVD- eller CVD-kamre med ekstremt høje krav til renlighed. Disse varmere bruger ikke traditionelle metaltråde, men i stedet PG som varmemodstandslag.

● Ultrarent varmeelement: Metalvarmeelementer er tilbøjelige til at fordampe metalurenheder ved høje temperaturer. Pyrolytisk grafit er i sig selv kulstof med en renhed på over 99.999 %. Selv med spor af fordampning er kulstof et relativt "venligt" element i halvlederprocesser (sammenlignet med guld, kobber, jern osv.), hvilket reducerer risikoen for metalforurening betydeligt.

● Ultrahurtig respons: PG-varmere har en meget lille varmekapacitet, hvilket resulterer i ekstremt hurtige opvarmnings- og kølehastigheder (termisk respons). Dette er yderst fordelagtigt for processer, der kræver hurtig termisk cykling (RTP), hvilket forbedrer gennemløbshastigheden betydeligt.

● Tilpasset temperaturfelt: Ved at designe kredsløbsbanen (serpentinledninger) for PG-laget kan temperaturfeltfordelingen designes præcist for at kompensere for varmetab ved kavitetskanterne, hvilket opnår ekstremt høj wafertemperaturensartethed.

4. Plasmaætsning: Elektroder med "lavt tab"

Ved tørætsning, især i stærkt korrosive miljøer med fluor- eller klorbaserede gasser.

● Udskiftning af forbrugsvarer: Mens enkeltkrystalsilicium eller SiC også bruges som elektroder, kan fokusringe eller elektrodeplader lavet af PG i visse tilpassede processer på grund af deres densitet og kemiske resistens reducere udskiftningshyppigheden og sænke ejeromkostningerne (CoO).

III. Anvendelser af pyrolytisk grafit i halvlederprocesser

På grund af sin høje renhed, højtemperaturstabilitet, ekstremt lave gaspermeabilitet, fremragende varmeledningsevne og kontrollerbare anisotropi er pyrolytisk grafit (PG) blevet et uundværligt kulstofbaseret materiale i halvlederudstyr. I mange kritiske procesmiljøer (høj temperatur, vakuum, plasma, ætsende gasser) tilbyder PG højere stabilitet og lavere kontamineringsrisiko sammenlignet med metaller eller keramik og anvendes derfor i vid udstrækning i halvlederwaferbehandlingsudstyr og forbrugskomponenter.

1. Anvendelser i CVD/PECVD/MOCVD-udstyr

①Varmesubstrat og termiske homogeniseringskomponenter

Pyrolytisk grafit (PG) kan bruges som et højtemperaturvarmeplade- eller bagplademateriale.

● Susceptor i MOCVD epitaksialt vækstreaktionskammer

● Varmeelementets støttestruktur i højtemperatur-CVD-ovne

②Susceptorbelægningssubstrat

Mange MOCVD-processer bruger SiC-belagt pyrolytisk grafit.

Fordele ved pyrolytisk grafit:

● Lav gaspermeabilitet, hvilket sikrer SiC-belægningens stabilitet

● Ingen deformation ved høje temperaturer, hvilket opretholder en stabil wafertemperaturfordeling

● Letvægtsvægt, reducerer inertien i roterende systemer

Pyrolytisk grafitbelagt digel

2. Anvendelser i ætseudstyr

Hulrumsforing og strukturelle komponenter i reaktionszonen

Pyrolytisk grafit udviser fremragende korrosionsbestandighed og højtemperaturstabilitet i plasmamiljøer, hvilket gør den velegnet som reaktionskammerforingsmateriale eller forbrugsmateriale:

●RIE, ICP reaktionskammerkomponenter

● Plasmabaffler, reflektorer

● Elektrodebagplader eller isolerende komponenter (afhængigt af design)

3. Anvendelser i højtemperaturglødning og varmebehandling

Pyrolytisk grafit er et nøglekomponentmateriale i mange højtemperaturvarmebehandlingsovne (>1000 °C), herunder:

● Hurtig termisk behandling (RTP)

● Epitaksialovne af siliciumcarbid (SiC)

● Højtemperaturglødningsovne

● Grafitbåde og -inventar

4. Anvendelser inden for waferindlæsning/-overførsel og fiksturer

PG anvendes på grund af sin høje renhed og lave partikelforurening i vid udstrækning i følgende komponenter:

● Wafer-modtager

● Waferbærer/båd

● Kantring

● Gasstrømningsskærm

PG er særligt velegnet til waferunderstøtninger i epitaksi med høj temperatur eller kemiske reaktioner.

5. Anvendelser inden for ionimplantation

Pyrolytisk grafit bruges som:

● Strålestop

●Kollimator

● Højenergiske ionabsorptionskomponenter

6. Potentielle anvendelser i litografisystemer

Selvom det er mindre almindeligt anvendt direkte som optiske komponenter, bruges pyrolytisk grafit også i:

● Højabsorberende spredt lysfælder

● Termiske kontrolstrukturer til optiske systemer

På grund af dens fremragende sortlegemeabsorptionsegenskaber kan den effektivt undertrykke spredt lys.