अनेक कार्बन पदार्थों में, पायरोलाइटिक ग्रेफाइट अपनी अत्यधिक नियंत्रणीय स्तरित संरचना और अत्यधिक विषमता के लिए विशिष्ट है। प्राकृतिक ग्रेफाइट के विपरीत, पायरोलाइटिक ग्रेफाइट सीधे खनिजों से प्राप्त नहीं होता है। इसके बजाय, इसे उच्च-तापमान रासायनिक वाष्प निक्षेपण (CVD) द्वारा उत्पादित किया जाता है, जहाँ 2000°C से अधिक तापमान पर हाइड्रोकार्बन गैसों का अपघटन करके कार्बन परमाणुओं की परतों में जमा किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप एक अत्यधिक उन्मुख और अत्यंत शुद्ध कृत्रिम ग्रेफाइट संरचना प्राप्त होती है। यह सटीक रूप से नियंत्रणीय निर्माण विधि इसे तापीय चालकता, विद्युत चालकता और चुंबकीय अनुक्रिया जैसे प्रमुख गुणों में अभिविन्यास-निर्भर विशेषताएँ प्रदर्शित करने में सक्षम बनाती है, जो प्राकृतिक ग्रेफाइट से बेजोड़ हैं।

I. पायरोलाइटिक ग्रेफाइट क्या है?

पायरोलिटिक ग्रेफाइट एक उच्च-तापमान पायरोलिटिक वाष्प निक्षेपण (सीवीडी) प्रक्रिया द्वारा तैयार किया गया एक अत्यधिक अभिविन्यस्त कार्बन पदार्थ है। इसमें आमतौर पर उच्च-तापमान (आमतौर पर 2000 डिग्री सेल्सियस से अधिक) और निम्न-दाब की स्थितियों में कार्बन परमाणुओं को विघटित और निक्षेपित करने के लिए हाइड्रोकार्बन गैसों (जैसे मीथेन) का उपयोग किया जाता है। फिर इन परमाणुओं को उच्च-तापमान तापानुशीतन (एनीलिंग) के अधीन किया जाता है ताकि कार्बन परतों की एक उच्च-क्रमबद्ध व्यवस्था सुनिश्चित हो सके, जिसके परिणामस्वरूप एक अत्यंत उच्च अभिविन्यस्त ग्रेफाइट संरचना प्राप्त होती है।

II. अर्धचालक प्रक्रियाओं में पायरोलाइटिक ग्रेफाइट (PG) के लाभ

1. आयन प्रत्यारोपण:

आयन प्रत्यारोपण प्रक्रिया में, पीजी का उपयोग मुख्य रूप से उच्च परिशुद्धता वाले गेट (ग्रिड) और इलेक्ट्रोड बनाने के लिए किया जाता है।

●आयन आरोपण प्रतिरोध: आयन किरणों में अत्यधिक ऊर्जा होती है। पारंपरिक मोलिब्डेनम (Mo) या टंगस्टन (W) गेट लंबे समय तक आयन बमबारी के तहत भौतिक स्पटरिंग से गुज़रेंगे। इससे न केवल गेट स्वयं पतला और विकृत हो जाता है, बल्कि स्पटर किए गए धातु परमाणु भी धातु संदूषण का एक गंभीर स्रोत बन जाते हैं। PG स्पटरिंग संक्षारण (बेहद कम नक़्क़ाशी दर) के प्रति अत्यंत प्रबल प्रतिरोध प्रदर्शित करता है, और इसका जीवनकाल आमतौर पर धातु घटकों से कई गुना अधिक होता है।

●बेहतर बीम करंट सटीकता: चूँकि PG घिसाव-प्रतिरोधी है, इसलिए गेट का एपर्चर आकार लंबे समय तक स्थिर रह सकता है। यह सुनिश्चित करता है कि आयन बीम फ़ोकस और कोण लंबे समय तक स्थिर रहें, जो उन्नत प्रक्रियाओं (जैसे 7nm और 5nm) के लिए महत्वपूर्ण है जहाँ इम्प्लांटेशन कोण की आवश्यकताएँ बहुत अधिक होती हैं।

●उत्कृष्ट तापीय प्रबंधन: पीजी की अत्यंत उच्च इन-प्लेन तापीय चालकता (तांबे की तुलना में लगभग 4-5 गुना) का उपयोग करते हुए, यह प्लेन के साथ आयन बमबारी द्वारा उत्पन्न गर्मी को तेजी से नष्ट कर सकता है, जिससे स्थानीयकृत अति ताप और विरूपण को रोका जा सकता है।

2. एमओसीवीडी और एपिटैक्सी: मुख्य रूप से सब्सट्रेट कोटिंग के लिए उपयोग किया जाता है

एलईडी विनिर्माण (GaN प्रक्रिया) या सिलिकॉन एपिटैक्सियल प्रक्रियाओं में, सबसे अधिक इस्तेमाल किया जाने वाला ग्रेफाइट सब्सट्रेट (ससेप्टर) इसकी सतह पर मूल ग्रेफाइट नहीं होता है, बल्कि आमतौर पर पीजी या SiC की घनी परत से ढका होता है।

●सीलर: यद्यपि समस्थितिक रूप से दबाया गया ग्रेफाइट सघन होता है, फिर भी यह सूक्ष्म रूप से छिद्रपूर्ण होता है, जो उच्च तापमान पर आसानी से गैसों को अवशोषित कर लेता है और कणों या अशुद्धियों को मुक्त कर देता है। सीवीडी के माध्यम से जमा की गई पीजी कोटिंग, सैद्धांतिक घनत्व के करीब घनत्व प्राप्त करती है, ग्रेफाइट मैट्रिक्स को पूरी तरह से सील कर देती है, ग्रेफाइट कणों को गिरने और वेफर को दूषित करने से रोकती है, और ग्रेफाइट के भीतर से अशुद्ध गैसों के निकलने को भी रोकती है।

●रासायनिक संक्षारण प्रतिरोध: MOCVD प्रक्रिया में बड़ी मात्रा में अमोनिया (NH3) और धातु-कार्बनिक स्रोतों का उपयोग किया जाता है, जो अत्यधिक संक्षारक होते हैं। PG परत रासायनिक रूप से अत्यंत निष्क्रिय होती है, जो आंतरिक ग्रेफाइट सब्सट्रेट को संक्षारण से प्रभावी रूप से बचाती है।

●ब्लैकबॉडी विकिरण और तापमान एकरूपता: पीजी में उत्कृष्ट ब्लैकबॉडी विकिरण विशेषताएँ होती हैं, जो इन्फ्रारेड थर्मोमेट्री की सटीकता में योगदान करती हैं। इसकी उत्कृष्ट तापीय चालकता सब्सट्रेट के अधिक एकसमान सतह तापमान को सुनिश्चित करने में भी मदद करती है, जो सीधे एपिटैक्सियल परत की मोटाई और संरचनागत एकरूपता को निर्धारित करती है।

3. उच्च तापमान हीटर:

पीबीएन/पीजी कम्पोजिट हीटर अक्सर पीवीडी या सीवीडी कक्षों में पाए जाते हैं जहाँ अत्यधिक स्वच्छता की आवश्यकता होती है। ये हीटर पारंपरिक धातु के तारों का उपयोग नहीं करते, बल्कि हीटिंग रेजिस्टर परत के रूप में पीजी का उपयोग करते हैं।

●अति-स्वच्छ तापन तत्व: धातु तापन तत्व उच्च तापमान पर धातु की अशुद्धियों को वाष्पीकृत करने के लिए प्रवृत्त होते हैं। पायरोलिटिक ग्रेफाइट स्वयं कार्बन है, जिसकी शुद्धता 99.999% से अधिक है। वाष्पीकरण की अल्प मात्रा के बावजूद, कार्बन अर्धचालक प्रक्रियाओं में (सोना, तांबा, लोहा, आदि की तुलना में) अपेक्षाकृत "अनुकूल" तत्व है, जो धातु संदूषण के जोखिम को काफी कम करता है।

●अति-तीव्र प्रतिक्रिया: पीजी हीटरों की ऊष्मा क्षमता बहुत कम होती है, जिसके परिणामस्वरूप अत्यंत तेज़ तापन और शीतलन दर (थर्मल प्रतिक्रिया) होती है। यह उन प्रक्रियाओं के लिए अत्यंत लाभदायक है जिनमें तीव्र तापीय चक्रण (आरटीपी) की आवश्यकता होती है, जिससे थ्रूपुट में उल्लेखनीय सुधार होता है।

●अनुकूलित तापमान क्षेत्र: पीजी परत के सर्किट पथ (सर्पेन्टाइन वायरिंग) को डिजाइन करके, तापमान क्षेत्र वितरण को गुहा किनारों पर गर्मी के नुकसान की भरपाई के लिए सटीक रूप से डिजाइन किया जा सकता है, जिससे अत्यधिक उच्च वेफर तापमान एकरूपता प्राप्त होती है।

4. प्लाज्मा एच: "कम-नुकसान" इलेक्ट्रोड

शुष्क नक़्क़ाशी में, विशेष रूप से फ्लोरीन या क्लोरीन आधारित गैसों वाले अत्यधिक संक्षारक वातावरण में।

●उपभोग्य सामग्रियों के लिए प्रतिस्थापन: जबकि एकल-क्रिस्टल सिलिकॉन या SiC का उपयोग इलेक्ट्रोड के रूप में भी किया जाता है, कुछ अनुकूलित प्रक्रियाओं में, PG से बने फोकस रिंग या इलेक्ट्रोड प्लेट, उनके घनत्व और रासायनिक प्रतिरोध के कारण, प्रतिस्थापन आवृत्ति को कम कर सकते हैं और स्वामित्व की लागत (CoO) को कम कर सकते हैं।

III. अर्धचालक प्रक्रियाओं में पायरोलाइटिक ग्रेफाइट के अनुप्रयोग

अपनी उच्च शुद्धता, उच्च तापमान स्थिरता, अत्यंत कम गैस पारगम्यता, उत्कृष्ट तापीय चालकता और नियंत्रणीय विषमता के कारण, पाइरोलिटिक ग्रेफाइट (PG) अर्धचालक उपकरणों में एक अनिवार्य कार्बन-आधारित पदार्थ बन गया है। कई महत्वपूर्ण प्रक्रिया वातावरणों (उच्च तापमान, निर्वात, प्लाज्मा, संक्षारक गैसों) में, धातुओं या सिरेमिक की तुलना में, PG अधिक स्थिरता और कम संदूषण जोखिम प्रदान करता है, और इसलिए अर्धचालक वेफर प्रसंस्करण उपकरणों और उपभोज्य घटकों में इसका व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।

1. CVD/PECVD/MOCVD उपकरण में अनुप्रयोग

①हीटर सब्सट्रेट और थर्मल होमोजेनाइजेशन घटक

पायरोलाइटिक ग्रेफाइट (पीजी) का उपयोग उच्च तापमान हीटिंग प्लेट या बैकप्लेट सामग्री के रूप में किया जा सकता है।

●MOCVD एपिटैक्सियल ग्रोथ रिएक्शन चैंबर में ससेप्टर

●उच्च तापमान सीवीडी भट्टियों में तापन तत्व समर्थन संरचना

②ससेप्टर कोटिंग सब्सट्रेट

कई MOCVD प्रक्रियाएं SiC-लेपित पायरोलाइटिक ग्रेफाइट का उपयोग करती हैं।

पायरोलाइटिक ग्रेफाइट के लाभ:

● कम गैस पारगम्यता, SiC कोटिंग स्थिरता सुनिश्चित करती है

●उच्च तापमान पर कोई विरूपण नहीं, स्थिर वेफर तापमान वितरण बनाए रखना

●हल्का वजन, घूर्णन प्रणालियों की जड़ता को कम करता है

पायरोलिटिक ग्रेफाइट लेपित क्रूसिबल

2. नक़्क़ाशी उपकरण में अनुप्रयोग

गुहा अस्तर और प्रतिक्रिया क्षेत्र संरचनात्मक घटक

पाइरोलिटिक ग्रेफाइट प्लाज्मा वातावरण में उत्कृष्ट संक्षारण प्रतिरोध और उच्च तापमान स्थिरता प्रदर्शित करता है, जो इसे प्रतिक्रिया कक्ष अस्तर सामग्री या उपभोज्य के रूप में उपयुक्त बनाता है:

●आरआईई, आईसीपी प्रतिक्रिया कक्ष घटक

●प्लाज्मा बैफल्स, रिफ्लेक्टर

●इलेक्ट्रोड बैकप्लेट या इन्सुलेटिंग घटक (डिज़ाइन के आधार पर)

3. उच्च तापमान एनीलिंग और ताप उपचार में अनुप्रयोग

पायरोलाइटिक ग्रेफाइट कई उच्च तापमान ताप उपचार भट्टियों (>1000°C) में एक प्रमुख घटक सामग्री है, जिनमें शामिल हैं:

●रैपिड थर्मल प्रोसेसिंग (RTP)

●सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) एपिटैक्सियल भट्टियां

●उच्च तापमान एनीलिंग भट्टियां

●ग्रेफाइट नावें और फिक्स्चर

4. वेफर लोडिंग/ट्रांसफर और फिक्स्चर में अनुप्रयोग

पीजी, अपनी उच्च शुद्धता और कम कण संदूषण के कारण, निम्नलिखित घटकों में व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है:

●वेफर ससेप्टर

●वेफर कैरियर/नाव

●एज रिंग

●गैस प्रवाह अवरोधक

पीजी विशेष रूप से उच्च तापमान एपिटेक्सी या रासायनिक प्रतिक्रिया वातावरण में वेफर समर्थन के लिए उपयुक्त है।

5. आयन प्रत्यारोपण में अनुप्रयोग

पायरोलाइटिक ग्रेफाइट का उपयोग इस प्रकार किया जाता है:

●बीम स्टॉप

●कोलाइमेटर

●उच्च-ऊर्जा आयन अवशोषण घटक

6. लिथोग्राफी प्रणालियों में संभावित अनुप्रयोग

यद्यपि ऑप्टिकल घटकों के रूप में इसका उपयोग कम ही किया जाता है, पायरोलाइटिक ग्रेफाइट का उपयोग निम्न में भी किया जाता है:

●उच्च अवशोषण वाले आवारा-प्रकाश जाल

●ऑप्टिकल प्रणालियों के लिए थर्मल नियंत्रण संरचनाएं

अपनी उत्कृष्ट ब्लैकबॉडी अवशोषण विशेषताओं के कारण, यह प्रभावी रूप से भटके हुए प्रकाश को दबा सकता है।