Printre numeroasele materiale pe bază de carbon, grafitul pirolitic se remarcă prin structura sa stratificată extrem de controlabilă și anizotropia extremă. Spre deosebire de grafitul natural, grafitul pirolitic nu este derivat direct din minerale. În schimb, este produs prin depunere chimică de vapori la temperatură înaltă (CVD), unde gazele hidrocarburi sunt descompuse și depuse în straturi de atomi de carbon la temperaturi peste 2000°C, rezultând o structură de grafit artificial extrem de orientată și pură. Această metodă de preparare precis controlabilă îi permite să prezinte caracteristici dependente de orientare în proprietăți cheie, cum ar fi conductivitatea termică, conductivitatea electrică și răspunsul magnetic, caracteristici neegalate de grafitul natural.

I. Ce este grafitul pirolitic?

Grafitul pirolitic este un material de carbon extrem de orientat, preparat printr-un proces de depunere pirolitică în fază de vapori (CVD) la temperatură înaltă. De obicei, acesta utilizează gaze hidrocarburi (cum ar fi metanul) pentru a descompune și depune atomi de carbon în condiții de temperatură ridicată (de obicei >2000℃) și presiune scăzută. Acești atomi sunt apoi supuși unei recoaceri la temperatură înaltă pentru a asigura o aranjare foarte ordonată a straturilor de carbon, rezultând o structură de grafit cu o orientare extrem de ridicată.

II. Avantajele grafitului pirolitic (PG) în procesele semiconductoare

1. Implantare ionică:

În procesul de implantare ionică, PG este utilizat în principal pentru fabricarea de porți (grile) și electrozi de înaltă precizie.

●Rezistență la implantarea ionilor: Fasciculele de ioni au o energie extrem de mare. Porțile tradiționale din molibden (Mo) sau tungsten (W) vor fi supuse pulverizării fizice sub bombardament prelungit cu ioni. Acest lucru nu numai că face ca porțile în sine să se subțieze și să se deformeze, dar atomii metalici pulverizați devin și o sursă serioasă de contaminare cu metal. PG prezintă o rezistență extrem de puternică la coroziunea prin pulverizare (rată de gravare extrem de scăzută), iar durata sa de viață este de obicei de câteva ori mai mare decât cea a componentelor metalice.

●Precizie îmbunătățită a curentului fasciculului: Deoarece PG este rezistent la uzură, dimensiunea aperturii porții poate rămâne stabilă pe o perioadă lungă de timp. Acest lucru asigură că focalizarea și unghiul fasciculului de ioni rămân stabile pe o perioadă lungă de timp, ceea ce este crucial pentru procesele avansate (cum ar fi 7nm și 5nm) unde cerințele privind unghiul de implantare sunt extrem de mari.

● Management termic excelent: Utilizând conductivitatea termică în plan extrem de ridicată a PG (de aproximativ 4-5 ori mai mare decât cea a cuprului), acesta poate disipa rapid căldura generată de bombardamentul cu ioni de-a lungul planului, prevenind supraîncălzirea și deformarea localizată.

2. MOCVD și epitaxie: utilizate în principal pentru acoperirea substratului

În fabricarea LED-urilor (procesul GaN) sau în procesele epitaxiale pe siliciu, cel mai frecvent utilizat substrat de grafit (Susceptor) nu este grafitul original de la suprafața sa, ci este de obicei acoperit cu un strat dens de PG sau SiC.

●Sigilant: Deși grafitul presat izostatic este dens, este totuși microscopic poros, adsorbind ușor gazele și eliberând particule sau impurități la temperaturi ridicate. Acoperirea PG, depusă prin CVD, atinge o densitate apropiată de densitatea teoretică, sigilând complet matricea de grafit, împiedicând particulele de grafit să cadă și să contamineze placheta și, de asemenea, blocând eliberarea gazelor de impuritate din interiorul grafitului.

●Rezistență la coroziune chimică: Procesul MOCVD utilizează cantități mari de amoniac (NH3) și surse metalo-organice, care sunt extrem de corozive. Stratul de PG este extrem de inert din punct de vedere chimic, protejând eficient substratul intern de grafit de coroziune.

● Radiația corpului negru și uniformitatea temperaturii: PG posedă caracteristici excelente de radiație a corpului negru, contribuind la precizia termometriei în infraroșu. Conductivitatea sa termică superioară ajută, de asemenea, la asigurarea unei temperaturi de suprafață mai uniforme a substratului, determinând direct grosimea și uniformitatea compozițională a stratului epitaxial.

3. Încălzitoare de înaltă temperatură:

Încălzitoarele compozite PBN/PG se găsesc frecvent în camerele PVD sau CVD cu cerințe extrem de ridicate de curățenie. Aceste încălzitoare nu utilizează fire metalice tradiționale, ci utilizează PG ca strat de rezistență la încălzire.

●Element de încălzire ultra-curat: Elementele de încălzire metalice sunt predispuse la volatilizarea impurităților metalice la temperaturi ridicate. Grafitul pirolitic în sine este carbon, cu o puritate care depășește 99.999%. Chiar și cu urme de volatilizare, carbonul este un element relativ „prietenos” în procesele semiconductoare (comparativ cu aurul, cuprul, fierul etc.), reducând semnificativ riscul de contaminare cu metale.

●Răspuns ultra-rapid: Încălzitoarele PG au o capacitate termică foarte mică, rezultând rate de încălzire și răcire extrem de rapide (răspuns termic). Acest lucru este foarte avantajos pentru procesele care necesită cicluri termice rapide (RTP), îmbunătățind semnificativ randamentul.

●Câmp de temperatură personalizat: Prin proiectarea traseului circuitului (cablaj serpentin) al stratului PG, distribuția câmpului de temperatură poate fi proiectată cu precizie pentru a compensa pierderea de căldură la marginile cavității, atingând o uniformitate extrem de ridicată a temperaturii plachetei.

4. Gravare cu plasmă: Electrozi cu „pierderi reduse”

În gravarea uscată, în special în medii extrem de corozive care implică gaze pe bază de fluor sau clor.

● Înlocuirea consumabilelor: Deși siliciul monocristalin sau SiC sunt utilizate și ca electrozi, în anumite procese personalizate, inelele de focalizare sau plăcile de electrozi fabricate din PG, datorită densității și rezistenței lor chimice, pot reduce frecvența de înlocuire și pot reduce costul de proprietate (CoO).

III. Aplicații ale grafitului pirolitic în procesele semiconductoare

Datorită purității sale ridicate, stabilității la temperaturi ridicate, permeabilității extrem de scăzute la gaze, conductivității termice excelente și anizotropiei controlabile, grafitul pirolitic (PG) a devenit un material indispensabil pe bază de carbon în echipamentele semiconductoare. În multe medii de proces critice (temperaturi ridicate, vid, plasmă, gaze corozive), comparativ cu metalele sau ceramica, PG oferă o stabilitate mai mare și un risc mai mic de contaminare și, prin urmare, este utilizat pe scară largă în echipamentele de procesare a napolitanelor semiconductoare și în componentele consumabile.

1. Aplicații în echipamentele CVD/PECVD/MOCVD

①Substrat de încălzire și componente de omogenizare termică

Grafitul pirolitic (PG) poate fi utilizat ca placă de încălzire la temperaturi ridicate sau material pentru placa de spate.

●Susceptor în camera de reacție de creștere epitaxială MOCVD

●Structura de susținere a elementului de încălzire în cuptoarele CVD la temperatură înaltă

②Substrat de acoperire a susceptorului

Multe procese MOCVD utilizează grafit pirolitic acoperit cu SiC.

Avantajele grafitului pirolitic:

● Permeabilitate redusă la gaze, asigurând stabilitatea acoperirii cu SiC

●Fără deformare la temperaturi ridicate, menținând o distribuție stabilă a temperaturii pe napolitane

●Ușor, reducând inerția sistemelor rotative

Creuzet acoperit cu grafit pirolitic

2. Aplicații în echipamentele de gravare

Componente structurale ale căptușelii cavității și zonei de reacție

Grafitul pirolitic prezintă o rezistență excelentă la coroziune și stabilitate la temperaturi ridicate în medii cu plasmă, ceea ce îl face potrivit ca material de căptușeală a camerei de reacție sau consumabil:

●Componente ale camerei de reacție RIE, ICP

●Deflectoare cu plasmă, reflectoare

●Plăci de susținere pentru electrozi sau componente izolatoare (în funcție de design)

3. Aplicații în recoacere la temperatură înaltă și tratament termic

Grafitul pirolitic este un material cheie în multe cuptoare de tratament termic la temperatură înaltă (>1000°C), inclusiv:

●Prelucrare termică rapidă (RTP)

●Cuptoare epitaxiale cu carbură de siliciu (SiC)

●Cuptoare de recoacere la temperatură înaltă

●Bărci și accesorii din grafit

4. Aplicații în încărcarea/transferul de napolitane și dispozitive de fixare

PG, datorită purității sale ridicate și contaminării reduse cu particule, este utilizat pe scară largă în următoarele componente:

●Susceptor de napolitane

●Suport/Barcă pentru napolitane

●Inel de margine

●Deflector de flux de gaz

PG este potrivit în special pentru suporturi de napolitane în medii de epitaxie sau reacții chimice la temperaturi ridicate.

5. Aplicații în implantarea ionică

Grafitul pirolitic este utilizat ca:

●Opritor fascicul

●Colimator

●Componente de absorbție a ionilor de înaltă energie

6. Aplicații potențiale în sistemele de litografie

Deși mai puțin frecvent utilizat direct ca și componente optice, grafitul pirolitic este utilizat și în:

● Capcane de lumină parazită cu absorbție ridicată

●Structuri de control termic pentru sisteme optice

Datorită caracteristicilor sale excelente de absorbție a corpului negru, poate suprima eficient lumina parazită.