Μεταξύ των πολυάριθμων υλικών άνθρακα, ο πυρολυτικός γραφίτης ξεχωρίζει για την εξαιρετικά ελεγχόμενη στρωματοποιημένη δομή του και την ακραία ανισοτροπία του. Σε αντίθεση με τον φυσικό γραφίτη, ο πυρολυτικός γραφίτης δεν προέρχεται απευθείας από ορυκτά. Αντίθετα, παράγεται μέσω χημικής εναπόθεσης ατμών υψηλής θερμοκρασίας (CVD), όπου τα αέρια υδρογονανθράκων αποσυντίθενται και εναποτίθενται σε στρώματα ατόμων άνθρακα σε θερμοκρασίες άνω των 2000°C, με αποτέλεσμα μια εξαιρετικά προσανατολισμένη και εξαιρετικά καθαρή δομή τεχνητού γραφίτη. Αυτή η επακριβώς ελεγχόμενη μέθοδος παρασκευής του επιτρέπει να παρουσιάζει χαρακτηριστικά που εξαρτώνται από τον προσανατολισμό σε βασικές ιδιότητες όπως η θερμική αγωγιμότητα, η ηλεκτρική αγωγιμότητα και η μαγνητική απόκριση, χαρακτηριστικά που δεν συγκρίνονται με τον φυσικό γραφίτη.

I. Τι είναι ο πυρολυτικός γραφίτης;

Ο πυρολυτικός γραφίτης είναι ένα υλικό άνθρακα με υψηλό προσανατολισμό που παρασκευάζεται μέσω μιας διεργασίας πυρολυτικής εναπόθεσης ατμών (CVD) υψηλής θερμοκρασίας. Συνήθως χρησιμοποιεί αέρια υδρογονάνθρακες (όπως μεθάνιο) για την αποσύνθεση και την εναπόθεση ατόμων άνθρακα υπό συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας (συνήθως >2000℃) και χαμηλής πίεσης. Αυτά τα άτομα στη συνέχεια υποβάλλονται σε ανόπτηση σε υψηλή θερμοκρασία για να διασφαλιστεί μια εξαιρετικά διατεταγμένη διάταξη των στρωμάτων άνθρακα, με αποτέλεσμα μια δομή γραφίτη με εξαιρετικά υψηλό προσανατολισμό.

II. Πλεονεκτήματα του πυρολυτικού γραφίτη (PG) σε διεργασίες ημιαγωγών

1. Εμφύτευση ιόντων:

Στη διαδικασία εμφύτευσης ιόντων, η PG χρησιμοποιείται κυρίως για την κατασκευή πυλών (πλέγματος) και ηλεκτροδίων υψηλής ακρίβειας.

●Αντίσταση στην εμφύτευση ιόντων: Οι δέσμες ιόντων έχουν εξαιρετικά υψηλή ενέργεια. Οι παραδοσιακές πύλες από μολυβδαίνιο (Mo) ή βολφράμιο (W) θα υποβληθούν σε φυσικό ψεκασμό υπό παρατεταμένο βομβαρδισμό ιόντων. Αυτό όχι μόνο προκαλεί τη λέπτυνση και την παραμόρφωση της ίδιας της πύλης, αλλά τα άτομα μετάλλου που ψεκάζονται γίνονται επίσης σοβαρή πηγή μόλυνσης μετάλλων. Το PG παρουσιάζει εξαιρετικά ισχυρή αντοχή στη διάβρωση με ψεκασμό (εξαιρετικά χαμηλός ρυθμός χάραξης) και η διάρκεια ζωής του είναι συνήθως αρκετές φορές μεγαλύτερη από αυτή των μεταλλικών εξαρτημάτων.

● Βελτιωμένη ακρίβεια ρεύματος δέσμης: Επειδή το PG είναι ανθεκτικό στη φθορά, το μέγεθος του ανοίγματος της πύλης μπορεί να παραμείνει σταθερό για μεγάλο χρονικό διάστημα. Αυτό διασφαλίζει ότι η εστίαση και η γωνία της δέσμης ιόντων παραμένουν σταθερές για μεγάλο χρονικό διάστημα, κάτι που είναι κρίσιμο για προηγμένες διαδικασίες (όπως 7nm και 5nm) όπου οι απαιτήσεις γωνίας εμφύτευσης είναι εξαιρετικά υψηλές.

● Άριστη Θερμική Διαχείριση: Αξιοποιώντας την εξαιρετικά υψηλή θερμική αγωγιμότητα του PG εντός του επιπέδου (περίπου 4-5 φορές μεγαλύτερη από αυτή του χαλκού), μπορεί να διαχέει γρήγορα τη θερμότητα που παράγεται από τον βομβαρδισμό με ιόντα κατά μήκος του επιπέδου, αποτρέποντας την τοπική υπερθέρμανση και παραμόρφωση.

2. MOCVD και Επιταξία: Χρησιμοποιούνται κυρίως για την επίστρωση υποστρώματος

Στην κατασκευή LED (διαδικασία GaN) ή στις επιταξιακές διαδικασίες πυριτίου, το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο υπόστρωμα γραφίτη (Susceptor) δεν είναι ο αρχικός γραφίτης στην επιφάνειά του, αλλά συνήθως καλύπτεται με ένα πυκνό στρώμα PG ή SiC.

● Σφραγιστικό: Αν και ο ισοστατικά συμπιεσμένος γραφίτης είναι πυκνός, εξακολουθεί να είναι μικροσκοπικά πορώδης, προσροφώντας εύκολα αέρια και απελευθερώνοντας σωματίδια ή ακαθαρσίες σε υψηλές θερμοκρασίες. Η επίστρωση PG, που εναποτίθεται μέσω CVD, επιτυγχάνει πυκνότητα κοντά στη θεωρητική πυκνότητα, σφραγίζοντας πλήρως τη μήτρα γραφίτη, εμποδίζοντας την πτώση σωματιδίων γραφίτη και τη μόλυνση του πλακιδίου, και εμποδίζοντας επίσης την απελευθέρωση αερίων ακαθαρσιών από το εσωτερικό του γραφίτη.

● Αντοχή στη χημική διάβρωση: Η διαδικασία MOCVD χρησιμοποιεί μεγάλες ποσότητες αμμωνίας (NH3) και μεταλλο-οργανικών πηγών, οι οποίες είναι εξαιρετικά διαβρωτικές. Το στρώμα PG είναι χημικά εξαιρετικά αδρανές, προστατεύοντας αποτελεσματικά το εσωτερικό υπόστρωμα γραφίτη από τη διάβρωση.

● Ακτινοβολία μέλανος σώματος και ομοιομορφία θερμοκρασίας: Το PG διαθέτει εξαιρετικά χαρακτηριστικά ακτινοβολίας μέλανος σώματος, συμβάλλοντας στην ακρίβεια της υπέρυθρης θερμομετρίας. Η ανώτερη θερμική αγωγιμότητά του βοηθά επίσης στη διασφάλιση μιας πιο ομοιόμορφης θερμοκρασίας επιφάνειας του υποστρώματος, καθορίζοντας άμεσα το πάχος και την ομοιομορφία σύνθεσης του επιταξιακού στρώματος.

3. Θερμαντήρες υψηλής θερμοκρασίας:

Οι θερμαντήρες σύνθετου υλικού PBN/PG βρίσκονται συχνά σε θαλάμους PVD ή CVD με εξαιρετικά υψηλές απαιτήσεις καθαριότητας. Αυτοί οι θερμαντήρες δεν χρησιμοποιούν παραδοσιακά μεταλλικά σύρματα, αλλά αντ' αυτού χρησιμοποιούν PG ως στρώμα αντίστασης θέρμανσης.

●Εξαιρετικά Καθαρό Θερμαντικό Στοιχείο: Τα μεταλλικά θερμαντικά στοιχεία είναι επιρρεπή στην εξάτμιση μεταλλικών ακαθαρσιών σε υψηλές θερμοκρασίες. Ο ίδιος ο πυρολυτικός γραφίτης είναι άνθρακας, με καθαρότητα που υπερβαίνει το 99.999%. Ακόμα και με ίχνη εξάτμισης, ο άνθρακας είναι ένα σχετικά «φιλικό» στοιχείο στις διεργασίες ημιαγωγών (σε σύγκριση με τον χρυσό, τον χαλκό, τον σίδηρο κ.λπ.), μειώνοντας σημαντικά τον κίνδυνο μόλυνσης μετάλλων.

●Εξαιρετικά γρήγορη απόκριση: Οι θερμαντήρες PG έχουν πολύ μικρή θερμική χωρητικότητα, με αποτέλεσμα εξαιρετικά γρήγορους ρυθμούς θέρμανσης και ψύξης (θερμική απόκριση). Αυτό είναι εξαιρετικά πλεονεκτικό για διεργασίες που απαιτούν γρήγορο θερμικό κύκλο (RTP), βελτιώνοντας σημαντικά την απόδοση.

●Προσαρμοσμένο Πεδίο Θερμοκρασίας: Σχεδιάζοντας τη διαδρομή του κυκλώματος (σερπεντίνη καλωδίωση) του στρώματος PG, η κατανομή του πεδίου θερμοκρασίας μπορεί να σχεδιαστεί με ακρίβεια για να αντισταθμίσει την απώλεια θερμότητας στις άκρες της κοιλότητας, επιτυγχάνοντας εξαιρετικά υψηλή ομοιομορφία θερμοκρασίας πλακιδίων.

4. Χάραξη με πλάσμα: Ηλεκτρόδια "χαμηλής απώλειας"

Σε ξηρή χάραξη, ειδικά σε εξαιρετικά διαβρωτικά περιβάλλοντα που περιλαμβάνουν αέρια με βάση το φθόριο ή το χλώριο.

● Αντικατάσταση αναλώσιμων: Ενώ το μονοκρυσταλλικό πυρίτιο ή το SiC χρησιμοποιούνται επίσης ως ηλεκτρόδια, σε ορισμένες προσαρμοσμένες διαδικασίες, οι δακτύλιοι εστίασης ή οι πλάκες ηλεκτροδίων από PG, λόγω της πυκνότητας και της χημικής αντοχής τους, μπορούν να μειώσουν τη συχνότητα αντικατάστασης και το Κόστος Ιδιοκτησίας (CoO).

III. Εφαρμογές του πυρολυτικού γραφίτη σε ημιαγωγικές διεργασίες

Λόγω της υψηλής καθαρότητάς του, της σταθερότητας σε υψηλές θερμοκρασίες, της εξαιρετικά χαμηλής διαπερατότητας αερίων, της εξαιρετικής θερμικής αγωγιμότητας και της ελεγχόμενης ανισοτροπίας του, ο πυρολυτικός γραφίτης (PG) έχει γίνει ένα απαραίτητο υλικό με βάση τον άνθρακα σε εξοπλισμό ημιαγωγών. Σε πολλά κρίσιμα περιβάλλοντα διεργασιών (υψηλή θερμοκρασία, κενό, πλάσμα, διαβρωτικά αέρια), σε σύγκριση με τα μέταλλα ή τα κεραμικά, ο PG προσφέρει υψηλότερη σταθερότητα και χαμηλότερο κίνδυνο μόλυνσης και ως εκ τούτου χρησιμοποιείται ευρέως σε εξοπλισμό επεξεργασίας πλακιδίων ημιαγωγών και σε αναλώσιμα εξαρτήματα.

1. Εφαρμογές σε εξοπλισμό CVD/PECVD/MOCVD

① Υπόστρωμα θερμαντήρα και εξαρτήματα θερμικής ομογενοποίησης

Ο πυρολυτικός γραφίτης (PG) μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πλάκα θέρμανσης υψηλής θερμοκρασίας ή υλικό πίσω πλάκας.

● Υποδοχέας στον θάλαμο αντίδρασης επιταξιακής ανάπτυξης MOCVD

● Δομή στήριξης θερμαντικού στοιχείου σε φούρνους CVD υψηλής θερμοκρασίας

②Υπόστρωμα επικάλυψης υποδοχέα

Πολλές διεργασίες MOCVD χρησιμοποιούν πυρολυτικό γραφίτη με επικάλυψη SiC.

Πλεονεκτήματα του πυρολυτικού γραφίτη:

● Χαμηλή διαπερατότητα αερίου, εξασφαλίζοντας σταθερότητα επίστρωσης SiC

●Καμία παραμόρφωση σε υψηλές θερμοκρασίες, διατηρώντας σταθερή κατανομή θερμοκρασίας πλακιδίων

● Ελαφρύ, μειώνοντας την αδράνεια των περιστρεφόμενων συστημάτων

Χωνευτήριο με επικάλυψη πυρολυτικού γραφίτη

2. Εφαρμογές σε εξοπλισμό χάραξης

Επένδυση κοιλότητας και δομικά στοιχεία ζώνης αντίδρασης

Ο πυρολυτικός γραφίτης παρουσιάζει εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση και σταθερότητα σε υψηλές θερμοκρασίες σε περιβάλλοντα πλάσματος, καθιστώντας τον κατάλληλο ως υλικό επένδυσης θαλάμου αντίδρασης ή αναλώσιμο:

●RIE, εξαρτήματα θαλάμου αντίδρασης ICP

● Διαφράγματα πλάσματος, ανακλαστήρες

●Πλακέτες ηλεκτροδίων ή μονωτικά εξαρτήματα (ανάλογα με το σχέδιο)

3. Εφαρμογές στην ανόπτηση και θερμική επεξεργασία υψηλής θερμοκρασίας

Ο πυρολυτικός γραφίτης είναι ένα βασικό συστατικό υλικό σε πολλούς κλιβάνους θερμικής επεξεργασίας υψηλής θερμοκρασίας (>1000°C), όπως:

● Ταχεία Θερμική Επεξεργασία (RTP)

●Επιταξιακοί φούρνοι καρβιδίου του πυριτίου (SiC)

●Κλίβανοι ανόπτησης υψηλής θερμοκρασίας

●Γραφιτικά Σκάφη και Εξαρτήματα

4. Εφαρμογές σε Φόρτωση/Μεταφορά Πλακιδίων και Εξαρτήματα

Η PG, λόγω της υψηλής καθαρότητάς της και της χαμηλής σωματιδιακής μόλυνσης, χρησιμοποιείται ευρέως στα ακόλουθα συστατικά:

● Υποδοχέας πλακιδίων

● Μεταφορέας/Βάρκα Wafer

● Δακτύλιος ακμής

●Διάφραγμα ροής αερίου

Το PG είναι ιδιαίτερα κατάλληλο για υποστηρίγματα πλακιδίων σε περιβάλλοντα επιταξίας ή χημικών αντιδράσεων υψηλής θερμοκρασίας.

5. Εφαρμογές στην εμφύτευση ιόντων

Ο πυρολυτικός γραφίτης χρησιμοποιείται ως:

●Στοπ δέσμης

●Κολιματήρας

●Στοιχεία απορρόφησης ιόντων υψηλής ενέργειας

6. Πιθανές εφαρμογές σε συστήματα λιθογραφίας

Αν και λιγότερο συχνά χρησιμοποιείται απευθείας ως οπτικά εξαρτήματα, ο πυρολυτικός γραφίτης χρησιμοποιείται επίσης σε:

● Παγίδες σκεδαζόμενου φωτός υψηλής απορρόφησης

●Δομές θερμικού ελέγχου για οπτικά συστήματα

Λόγω των εξαιρετικών χαρακτηριστικών απορρόφησης μέλανος σώματος, μπορεί να καταστείλει αποτελεσματικά το σκεδαζόμενο φως.