Unter den zahlreichen Kohlenstoffmaterialien zeichnet sich pyrolytischer Graphit durch seine hochgradig kontrollierbare Schichtstruktur und extreme Anisotropie aus. Anders als natürlicher Graphit wird pyrolytischer Graphit nicht direkt aus Mineralien gewonnen. Stattdessen wird er durch Hochtemperatur-CVD (chemische Gasphasenabscheidung) hergestellt, bei der Kohlenwasserstoffgase zersetzt und bei Temperaturen über 2000 °C zu Kohlenstoffatomschichten abgeschieden werden. Dies führt zu einer hochorientierten und extrem reinen künstlichen Graphitstruktur. Dank dieses präzise steuerbaren Herstellungsverfahrens weist pyrolytischer Graphit orientierungsabhängige Eigenschaften in Schlüsseleigenschaften wie Wärmeleitfähigkeit, elektrischer Leitfähigkeit und magnetischem Verhalten auf – Eigenschaften, die natürlicher Graphit nicht besitzt.

I. Was ist pyrolytischer Graphit?

Pyrolytischer Graphit ist ein hochorientiertes Kohlenstoffmaterial, das durch pyrolytische Gasphasenabscheidung (CVD) bei hohen Temperaturen hergestellt wird. Dabei werden typischerweise Kohlenwasserstoffgase (wie Methan) verwendet, um Kohlenstoffatome unter hohen Temperaturen (üblicherweise >2000 °C) und niedrigem Druck zu zersetzen und abzuscheiden. Anschließend werden diese Atome einer Hochtemperaturglühung unterzogen, um eine hochgeordnete Anordnung der Kohlenstoffschichten zu gewährleisten. Das Ergebnis ist eine Graphitstruktur mit extrem hoher Orientierung.

II. Vorteile von pyrolytischem Graphit (PG) in Halbleiterprozessen

1. Ionenimplantation:

Beim Ionenimplantationsverfahren wird PG vor allem zur Herstellung hochpräziser Gates (Gitter) und Elektroden verwendet.

● Beständigkeit gegen Ionenimplantation: Ionenstrahlen besitzen extrem hohe Energien. Herkömmliche Molybdän- (Mo) oder Wolfram- (W) Gates werden unter anhaltendem Ionenbeschuss physikalisch zerstäubt. Dies führt nicht nur zu einer Verdünnung und Verformung des Gates selbst, sondern die zerstäubten Metallatome stellen auch eine erhebliche Quelle für Metallverunreinigungen dar. PG weist eine extrem hohe Beständigkeit gegen Zerstäubungskorrosion auf (extrem niedrige Ätzrate) und seine Lebensdauer ist typischerweise um ein Vielfaches höher als die von Metallkomponenten.

● Verbesserte Strahlstromgenauigkeit: Da PG verschleißfest ist, bleibt die Aperturgröße des Gates über einen langen Zeitraum stabil. Dies gewährleistet, dass Fokus und Winkel des Ionenstrahls über einen langen Zeitraum stabil bleiben, was für fortgeschrittene Prozesse (wie 7 nm und 5 nm) mit extrem hohen Anforderungen an den Implantationswinkel entscheidend ist.

●Hervorragendes Wärmemanagement: Dank der extrem hohen Wärmeleitfähigkeit von PG in der Ebene (etwa 4-5 Mal so hoch wie die von Kupfer) kann die durch Ionenbeschuss erzeugte Wärme schnell entlang der Ebene abgeführt werden, wodurch lokale Überhitzung und Verformung verhindert werden.

2. MOCVD und Epitaxie: Hauptsächlich zur Substratbeschichtung verwendet

Bei der LED-Herstellung (GaN-Prozess) oder Silizium-Epitaxieprozessen ist das am häufigsten verwendete Graphitsubstrat (Suszeptor) nicht das ursprüngliche Graphit an seiner Oberfläche, sondern ist in der Regel mit einer dichten Schicht aus PG oder SiC bedeckt.

●Versiegelung: Obwohl isostatisch gepresstes Graphit dicht ist, weist es dennoch mikroskopische Poren auf, die leicht Gase adsorbieren und bei hohen Temperaturen Partikel oder Verunreinigungen freisetzen. Die mittels CVD abgeschiedene PG-Beschichtung erreicht eine Dichte nahe der theoretischen Dichte, versiegelt die Graphitmatrix vollständig und verhindert so das Ablösen von Graphitpartikeln und die Kontamination des Wafers. Zudem wird die Freisetzung von Verunreinigungsgasen aus dem Graphitinneren blockiert.

●Chemische Korrosionsbeständigkeit: Beim MOCVD-Verfahren werden große Mengen Ammoniak (NH3) und metallorganische Verbindungen verwendet, die extrem korrosiv sind. Die PG-Schicht ist chemisch äußerst inert und schützt das innere Graphitsubstrat wirksam vor Korrosion.

● Schwarzkörperstrahlung und Temperaturhomogenität: PG besitzt hervorragende Schwarzkörperstrahlungseigenschaften, die zur Genauigkeit der Infrarot-Thermometrie beitragen. Seine überlegene Wärmeleitfähigkeit trägt außerdem zu einer gleichmäßigeren Oberflächentemperatur des Substrats bei und bestimmt somit direkt die Dicke und Zusammensetzungshomogenität der Epitaxieschicht.

3. Hochtemperaturheizungen:

PBN/PG-Verbundheizelemente werden häufig in PVD- oder CVD-Kammern mit extrem hohen Reinheitsanforderungen eingesetzt. Diese Heizelemente verwenden keine herkömmlichen Metalldrähte, sondern PG als Heizwiderstandsschicht.

●Hochreines Heizelement: Metallische Heizelemente neigen bei hohen Temperaturen zur Verflüchtigung von Metallverunreinigungen. Pyrolytischer Graphit besteht aus Kohlenstoff mit einer Reinheit von über 99.999 %. Selbst bei geringfügiger Verflüchtigung ist Kohlenstoff in Halbleiterprozessen ein vergleichsweise „freundliches“ Element (im Vergleich zu Gold, Kupfer, Eisen usw.), wodurch das Risiko einer Metallverunreinigung deutlich reduziert wird.

●Ultraschnelle Reaktion: PG-Heizelemente weisen eine sehr geringe Wärmekapazität auf, was zu extrem schnellen Aufheiz- und Abkühlraten (thermische Reaktion) führt. Dies ist besonders vorteilhaft für Prozesse, die schnelle Temperaturzyklen (RTP) erfordern, und steigert den Durchsatz deutlich.

●Angepasstes Temperaturfeld: Durch die Gestaltung des Leiterbahnverlaufs (serpentinenförmige Verdrahtung) der PG-Schicht kann die Temperaturfeldverteilung präzise so gestaltet werden, dass Wärmeverluste an den Kavitätsrändern kompensiert werden und eine extrem hohe Temperaturhomogenität des Wafers erreicht wird.

4. Plasmaätzen: „Verlustarme“ Elektroden

Beim Trockenätzen, insbesondere in stark korrosiven Umgebungen mit fluor- oder chlorhaltigen Gasen.

●Ersatz für Verbrauchsmaterialien: Obwohl auch einkristallines Silizium (SiC) als Elektroden verwendet wird, können in bestimmten kundenspezifischen Prozessen Fokusringe oder Elektrodenplatten aus PG aufgrund ihrer Dichte und chemischen Beständigkeit die Austauschhäufigkeit verringern und die Gesamtbetriebskosten (CoO) senken.

III. Anwendungen von pyrolytischem Graphit in Halbleiterprozessen

Aufgrund seiner hohen Reinheit, Hochtemperaturstabilität, extrem geringen Gasdurchlässigkeit, ausgezeichneten Wärmeleitfähigkeit und kontrollierbaren Anisotropie hat sich pyrolytischer Graphit (PG) zu einem unverzichtbaren kohlenstoffbasierten Werkstoff in Halbleiteranlagen entwickelt. In vielen kritischen Prozessumgebungen (hohe Temperaturen, Vakuum, Plasma, korrosive Gase) bietet PG im Vergleich zu Metallen oder Keramiken eine höhere Stabilität und ein geringeres Kontaminationsrisiko und wird daher in Halbleiterwafer-Bearbeitungsanlagen und Verbrauchsmaterialien weit verbreitet eingesetzt.

1. Anwendungen in CVD/PECVD/MOCVD-Anlagen

①Heizsubstrat und Komponenten zur thermischen Homogenisierung

Pyrolytischer Graphit (PG) kann als Hochtemperatur-Heizplatten- oder Rückplattenmaterial verwendet werden.

●Suszeptor in der MOCVD-Epitaxie-Wachstumsreaktionskammer

●Heizelement-Trägerstruktur in Hochtemperatur-CVD-Öfen

②Susceptor-Beschichtungssubstrat

Bei vielen MOCVD-Verfahren wird SiC-beschichteter pyrolytischer Graphit verwendet.

Vorteile von pyrolytischem Graphit:

●Geringe Gasdurchlässigkeit gewährleistet die Stabilität der SiC-Beschichtung

●Keine Verformung bei hohen Temperaturen, Aufrechterhaltung einer stabilen Wafer-Temperaturverteilung

●Leichtbauweise, wodurch die Trägheit rotierender Systeme reduziert wird

Pyrolytischer Graphit-beschichteter Tiegel

2. Anwendungen in Ätzanlagen

Hohlraumauskleidung und Strukturbauteile der Reaktionszone

Pyrolytischer Graphit weist eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und Hochtemperaturstabilität in Plasmaumgebungen auf und eignet sich daher als Auskleidungsmaterial oder Verbrauchsmaterial für Reaktionskammern:

●RIE- und ICP-Reaktionskammerkomponenten

●Plasmablenden, Reflektoren

●Elektrodenrückplatten oder Isolierkomponenten (je nach Ausführung)

3. Anwendungen bei Hochtemperaturglühen und Wärmebehandlung

Pyrolytischer Graphit ist ein wichtiger Bestandteil vieler Hochtemperatur-Wärmebehandlungsöfen (>1000°C), darunter:

●Schnelle thermische Verarbeitung (RTP)

●Siliziumkarbid (SiC)-Epitaxieöfen

●Hochtemperatur-Glühöfen

●Graphitboote und -einrichtungen

4. Anwendungen im Bereich Wafer-Beladung/-Transfer und Vorrichtungen

Aufgrund seiner hohen Reinheit und geringen Partikelverunreinigung findet PG breite Anwendung in folgenden Bauteilen:

●Wafer-Susceptor

●Wafer Carrier/Boot

●Randring

●Gasströmungsleitblech

PG eignet sich besonders gut für Wafer-Träger in Hochtemperatur-Epitaxie- oder chemischen Reaktionsumgebungen.

5. Anwendungen in der Ionenimplantation

Pyrolytischer Graphit wird verwendet als:

●Lichtschranke

●Kollimator

●Hochenergetische Ionenabsorptionskomponenten

6. Potenzielle Anwendungen in Lithographiesystemen

Obwohl pyrolytischer Graphit seltener direkt als optische Komponente verwendet wird, findet er auch Anwendung in:

●Hochabsorbierende Streulichtfallen

● Thermische Regelungsstrukturen für optische Systeme

Aufgrund seiner hervorragenden Schwarzkörperabsorptionseigenschaften kann es Streulicht effektiv unterdrücken.