Çok sayıda karbon malzemesi arasında pirolitik grafit, son derece kontrol edilebilir katmanlı yapısı ve olağanüstü anizotropisiyle öne çıkar. Doğal grafitin aksine, pirolitik grafit doğrudan minerallerden elde edilmez. Bunun yerine, hidrokarbon gazlarının 2000°C'nin üzerindeki sıcaklıklarda ayrıştırılıp karbon atomu katmanlarına biriktirildiği yüksek sıcaklıkta kimyasal buhar biriktirme (CVD) yöntemiyle üretilir ve bu da yüksek oranda yönlendirilmiş ve son derece saf bir yapay grafit yapısıyla sonuçlanır. Bu hassas bir şekilde kontrol edilebilen hazırlama yöntemi, doğal grafitin ulaşamadığı termal iletkenlik, elektriksel iletkenlik ve manyetik tepki gibi temel özelliklerde yönelime bağlı özellikler sergilemesini sağlar.

I. Pirolitik Grafit Nedir?

Pirolitik grafit, yüksek sıcaklıkta pirolitik buhar biriktirme (CVD) işlemiyle hazırlanan, yüksek oranda yönlendirilmiş bir karbon malzemesidir. Genellikle, yüksek sıcaklık (genellikle >2000℃) ve düşük basınç koşulları altında karbon atomlarını ayrıştırıp biriktirmek için hidrokarbon gazları (metan gibi) kullanır. Bu atomlar daha sonra, karbon katmanlarının son derece düzenli bir şekilde düzenlenmesini sağlamak için yüksek sıcaklıkta tavlamaya tabi tutulur ve bu da son derece yüksek yönelimli bir grafit yapısıyla sonuçlanır.

II. Yarı İletken Proseslerinde Pirolitik Grafitin (PG) Avantajları

1. İyon İmplantasyonu:

İyon aşılama sürecinde PG, öncelikli olarak yüksek hassasiyetli kapılar (ızgaralar) ve elektrotlar üretmek için kullanılır.

●İyon Aşılama Direnci: İyon ışınları son derece yüksek enerjiye sahiptir. Geleneksel molibden (Mo) veya tungsten (W) kapılar, uzun süreli iyon bombardımanı altında fiziksel püskürtme işlemine tabi tutulur. Bu, kapının kendisinin incelmesine ve deforme olmasına neden olmakla kalmaz, aynı zamanda püskürtülen metal atomları da ciddi bir metal kirliliği kaynağı haline gelir. PG, püskürtme korozyonuna karşı son derece güçlü bir direnç gösterir (son derece düşük aşındırma oranı) ve ömrü genellikle metal bileşenlerin birkaç katıdır.

●Geliştirilmiş Işın Akımı Doğruluğu: PG aşınmaya dayanıklı olduğundan, kapının açıklık boyutu uzun süre sabit kalabilir. Bu, iyon ışınının odak noktasının ve açısının uzun süre sabit kalmasını sağlar; bu da, implantasyon açısı gereksinimlerinin son derece yüksek olduğu gelişmiş prosesler (örneğin 7 nm ve 5 nm) için çok önemlidir.

●Mükemmel Termal Yönetim: PG'nin son derece yüksek düzlem içi termal iletkenliğinden (bakırın yaklaşık 4-5 katı) yararlanarak, iyon bombardımanı tarafından düzlem boyunca üretilen ısıyı hızla dağıtabilir, yerel aşırı ısınmayı ve deformasyonu önleyebilir.

2. MOCVD ve Epitaksi: Esas Olarak Alt Tabaka Kaplama İçin Kullanılır

LED üretiminde (GaN prosesi) veya silikon epitaksiyel proseslerde en sık kullanılan grafit alt tabaka (Susceptor) yüzeyindeki orijinal grafit olmayıp, genellikle yoğun bir PG veya SiC tabakası ile kaplanmıştır.

●Sızdırmazlık Maddesi: İzostatik olarak preslenmiş grafit yoğun olmasına rağmen, mikroskobik olarak gözeneklidir ve yüksek sıcaklıklarda gazları kolayca emer ve partikül veya safsızlıkları serbest bırakır. CVD ile biriktirilen PG kaplama, teorik yoğunluğa yakın bir yoğunluğa ulaşarak grafit matrisini tamamen kapatır, grafit partiküllerinin düşüp gofreti kirletmesini önler ve ayrıca grafitin içinden safsızlık gazlarının salınmasını engeller.

●Kimyasal Korozyon Direnci: MOCVD işlemi, son derece aşındırıcı olan büyük miktarlarda amonyak (NH3) ve metal-organik kaynaklar kullanır. PG tabakası kimyasal olarak son derece inerttir ve iç grafit alt tabakayı korozyondan etkili bir şekilde korur.

●Kara Cisim Radyasyonu ve Sıcaklık Tekdüzeliği: PG, kızılötesi termometrinin doğruluğuna katkıda bulunan mükemmel kara cisim radyasyon özelliklerine sahiptir. Üstün termal iletkenliği, alt tabakanın daha homojen bir yüzey sıcaklığına sahip olmasını sağlayarak, epitaksiyel tabakanın kalınlığını ve bileşimsel tekdüzeliğini doğrudan belirler.

3. Yüksek Sıcaklık Isıtıcıları:

PBN/PG kompozit ısıtıcılar, temizlik gereksinimlerinin son derece yüksek olduğu PVD veya CVD odalarında sıklıkla bulunur. Bu ısıtıcılar geleneksel metal teller yerine, ısıtma direnci katmanı olarak PG kullanır.

●Ultra Temiz Isıtma Elemanı: Metal ısıtma elemanları, yüksek sıcaklıklarda metal safsızlıklarının uçmasına eğilimlidir. Pirolitik Grafitin kendisi karbondur ve saflığı %99.999'u aşar. Eser miktarda uçma olsa bile, karbon yarı iletken proseslerinde (altın, bakır, demir vb. ile karşılaştırıldığında) nispeten "dost" bir elementtir ve metal kontaminasyonu riskini önemli ölçüde azaltır.

●Ultra Hızlı Tepki: PG ısıtıcılar çok düşük bir ısı kapasitesine sahiptir ve bu da son derece hızlı ısıtma ve soğutma hızları (termal tepki) sağlar. Bu, hızlı termal döngü (RTP) gerektiren prosesler için oldukça avantajlıdır ve verimi önemli ölçüde artırır.

●Özelleştirilmiş Sıcaklık Alanı: PG katmanının devre yolunu (yılan şeklinde kablolama) tasarlayarak, boşluk kenarlarındaki ısı kaybını telafi etmek için sıcaklık alanı dağılımı hassas bir şekilde tasarlanabilir ve böylece son derece yüksek gofret sıcaklık homojenliği elde edilebilir.

4. Plazma Aşındırma: "Düşük Kayıplı" Elektrotlar

Kuru aşındırmada, özellikle flor veya klor bazlı gazların bulunduğu yüksek korozif ortamlarda.

●Sarf Malzemelerinin Yerine Kullanılması: Tek kristal silisyum veya SiC de elektrot olarak kullanılsa da, belirli özelleştirilmiş proseslerde, PG'den yapılmış odak halkaları veya elektrot plakaları, yoğunlukları ve kimyasal dirençleri nedeniyle değiştirme sıklığını azaltabilir ve Sahip Olma Maliyetini (CoO) düşürebilir.

III. Yarı İletken Proseslerinde Pirolitik Grafitin Uygulamaları

Yüksek saflığı, yüksek sıcaklık kararlılığı, son derece düşük gaz geçirgenliği, mükemmel termal iletkenliği ve kontrol edilebilir anizotropisi sayesinde pirolitik grafit (PG), yarı iletken ekipmanlarda vazgeçilmez bir karbon bazlı malzeme haline gelmiştir. Birçok kritik proses ortamında (yüksek sıcaklık, vakum, plazma, aşındırıcı gazlar), metallere veya seramiklere kıyasla PG daha yüksek kararlılık ve daha düşük kontaminasyon riski sunar ve bu nedenle yarı iletken yonga işleme ekipmanlarında ve sarf malzemeleri bileşenlerinde yaygın olarak kullanılır.

1. CVD/PECVD/MOCVD Ekipmanlarındaki Uygulamalar

①Isıtıcı Alt Tabaka ve Termal Homojenizasyon Bileşenleri

Pirolitik Grafit (PG) yüksek sıcaklık ısıtma plakası veya arka plaka malzemesi olarak kullanılabilir.

●MOCVD epitaksiyel büyüme reaksiyon odasındaki reseptör

●Yüksek sıcaklık CVD fırınlarında ısıtma elemanı destek yapısı

②Suseptör Kaplama Alt Tabakası

Birçok MOCVD prosesinde SiC kaplı Pirolitik Grafit kullanılır.

Pirolitik Grafitin Avantajları:

●Düşük gaz geçirgenliği, SiC kaplamanın kararlılığını sağlar

●Yüksek sıcaklıklarda deformasyon olmaz, gofret sıcaklık dağılımı stabil kalır

●Hafiftir, dönen sistemlerin ataletini azaltır

Pirolitik Grafit Kaplamalı Pota

2. Aşındırma Ekipmanlarındaki Uygulamalar

Boşluk kaplaması ve reaksiyon bölgesi yapısal bileşenleri

Pirolitik Grafit, plazma ortamlarında mükemmel korozyon direnci ve yüksek sıcaklık kararlılığı sergiler ve bu da onu reaksiyon odası astar malzemesi veya sarf malzemesi olarak uygun hale getirir:

●RIE, ICP reaksiyon odası bileşenleri

●Plazma deflektörleri, reflektörler

●Elektrot arka plakaları veya yalıtım bileşenleri (tasarıma bağlı olarak)

3. Yüksek Sıcaklık Tavlama ve Isıl İşlem Uygulamaları

Pirolitik grafit, aşağıdakiler de dahil olmak üzere birçok yüksek sıcaklıklı ısıl işlem fırınında (>1000°C) önemli bir bileşen malzemesidir:

●Hızlı Isıl İşlem (RTP)

●Silisyum Karbür (SiC) Epitaksiyel Fırınlar

●Yüksek Sıcaklık Tavlama Fırınları

●Grafit Tekneler ve Fikstürler

4. Wafer Yükleme/Transfer ve Fikstür Uygulamaları

PG, yüksek saflığı ve düşük partikül kirliliği nedeniyle aşağıdaki bileşenlerde yaygın olarak kullanılmaktadır:

●Gofret Susceptor

●Wafer Taşıyıcı/Tekne

●Kenar Halkası

●Gaz Akış Deflektörü

PG, özellikle yüksek sıcaklıklı epitaksi veya kimyasal reaksiyon ortamlarında gofret destekleri için uygundur.

5. İyon İmplantasyonunda Uygulamalar

Pirolitik Grafit şu amaçlarla kullanılır:

●Işın durdurucu

●Kolimatör

●Yüksek enerjili iyon emilim bileşenleri

6. Litografi Sistemlerinde Potansiyel Uygulamalar

Her ne kadar daha az yaygın olarak optik bileşenler olarak doğrudan kullanılsa da, Pirolitik Grafit ayrıca şu alanlarda da kullanılır:

●Yüksek emilimli kaçak ışık tuzakları

●Optik sistemler için termal kontrol yapıları

Mükemmel kara cisim soğurma özelliği sayesinde, saçılan ışığı etkili bir şekilde bastırabilir.