من بين العديد من المواد الكربونية، يتميز الجرافيت المُحلل حراريًا ببنيته الطبقية شديدة التحكم وتباينه الشديد. بخلاف الجرافيت الطبيعي، لا يُشتق الجرافيت المُحلل حراريًا مباشرةً من المعادن، بل يُنتج من خلال الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) عالي الحرارة، حيث تتحلل غازات الهيدروكربون وترسب في طبقات من ذرات الكربون عند درجات حرارة تزيد عن 2000 درجة مئوية، مما ينتج عنه بنية جرافيت اصطناعية عالية التوجيه وشديدة النقاء. تتيح طريقة التحضير الدقيقة هذه للجرافيت إظهار خصائص تعتمد على التوجيه في خصائص رئيسية مثل التوصيل الحراري والتوصيل الكهربائي والاستجابة المغناطيسية، وهي خصائص لا تُضاهيها أي خصائص أخرى في الجرافيت الطبيعي.

1. ما هو الجرافيت التحللي؟

الجرافيت التحللي الحراري مادة كربونية عالية التوجه، تُحضّر من خلال عملية ترسيب بخاري حراري عالي الحرارة (CVD). تستخدم هذه العملية عادةً غازات هيدروكربونية (مثل الميثان) لتحليل وترسيب ذرات الكربون في درجات حرارة عالية (عادةً ما تكون أعلى من 2000 درجة مئوية) وضغط منخفض. ثم تُعرّض هذه الذرات لعملية التلدين عالية الحرارة لضمان ترتيب دقيق لطبقات الكربون، مما ينتج عنه بنية جرافيت عالية التوجه.

II. مزايا الجرافيت المُحلل حراريًا (PG) في عمليات أشباه الموصلات

1. زرع الأيونات:

في عملية زرع الأيونات، يتم استخدام PG بشكل أساسي لتصنيع بوابات (شبكات) وأقطاب كهربائية عالية الدقة.

مقاومة غرس الأيونات: تتميز حزم الأيونات بطاقة عالية جدًا. تخضع بوابات الموليبدينوم (Mo) أو التنغستن (W) التقليدية للرش الفيزيائي تحت تأثير قصف أيوني مطول. هذا لا يؤدي فقط إلى ترقيق البوابة نفسها وتشوهها، بل تُصبح ذرات المعدن المُرشَّحة أيضًا مصدرًا خطيرًا للتلوث المعدني. يتميز البولي بروبيلين جليكول بمقاومة فائقة للتآكل الناتج عن الرش (معدل حفر منخفض للغاية)، وعادةً ما يكون عمره الافتراضي أطول بعدة أضعاف من عمر المكونات المعدنية.

دقة مُحسّنة لتيار الشعاع: بفضل مقاومة مادة PG للتآكل، يبقى حجم فتحة البوابة ثابتًا لفترة طويلة. هذا يضمن ثبات تركيز وزاوية شعاع الأيونات لفترة طويلة، وهو أمر بالغ الأهمية للعمليات المتقدمة (مثل 7 نانومتر و5 نانومتر) حيث تكون متطلبات زاوية الزرع عالية جدًا.

●إدارة حرارية ممتازة: باستخدام الموصلية الحرارية العالية للغاية في المستوى التي يتمتع بها PG (حوالي 4-5 أضعاف الموصلية الحرارية الموجودة في النحاس)، فإنه يمكنه تبديد الحرارة الناتجة عن قصف الأيونات على طول المستوى بسرعة، مما يمنع ارتفاع درجة الحرارة والتشوه الموضعي.

2. MOCVD و Epitaxy: يستخدمان بشكل أساسي لطلاء الركيزة

في تصنيع LED (عملية GaN) أو عمليات الترابط السيليكوني، فإن الركيزة الجرافيتية الأكثر استخدامًا (Susceptor) ليست الجرافيت الأصلي على سطحها، ولكنها عادة ما تكون مغطاة بطبقة كثيفة من PG أو SiC.

●مانع التسرب: على الرغم من كثافة الجرافيت المضغوط بشكل متساوي، إلا أنه يتمتع بمسامية مجهرية، ويمتص الغازات بسهولة ويطلق الجسيمات أو الشوائب عند درجات حرارة عالية. يحقق طلاء PG، المُرسَّب بتقنية الترسيب الكيميائي البخاري، كثافة قريبة من الكثافة النظرية، مُغلقًا مصفوفة الجرافيت تمامًا، مانعًا جسيمات الجرافيت من السقوط وتلويث الرقاقة، كما يمنع انطلاق غازات الشوائب من داخل الجرافيت.

مقاومة التآكل الكيميائي: تستخدم عملية MOCVD كميات كبيرة من الأمونيا (NH3) ومصادر معدنية عضوية، وهي شديدة التآكل. طبقة PG خاملة كيميائيًا للغاية، مما يحمي ركيزة الجرافيت الداخلية بفعالية من التآكل.

● إشعاع الجسم الأسود وتجانس درجة الحرارة: يتميز البولي جليكول بخصائص إشعاع الجسم الأسود الممتازة، مما يُسهم في دقة قياس الحرارة بالأشعة تحت الحمراء. كما تُساعد موصليته الحرارية العالية على ضمان درجة حرارة سطح أكثر تجانسًا للركيزة، مما يُحدد بشكل مباشر سمك الطبقة الفوقية وتجانس تركيبها.

3. سخانات ذات درجة حرارة عالية:

تُستخدم سخانات PBN/PG المركبة بكثرة في غرف PVD أو CVD ذات متطلبات نظافة عالية جدًا. لا تستخدم هذه السخانات الأسلاك المعدنية التقليدية، بل تستخدم PG كطبقة مقاومة للتسخين.

●عنصر تسخين فائق النظافة: عناصر التسخين المعدنية معرضة لتطاير الشوائب المعدنية عند درجات الحرارة العالية. الجرافيت المُحلل حراريًا هو نفسه كربون، بنقاء يتجاوز 99.999%. حتى مع وجود كميات ضئيلة من التطاير، يُعد الكربون عنصرًا "صديقًا" نسبيًا في عمليات أشباه الموصلات (مقارنةً بالذهب والنحاس والحديد، إلخ)، مما يقلل بشكل كبير من خطر تلوث المعادن.

استجابة فائقة السرعة: تتميز سخانات PG بسعة حرارية صغيرة جدًا، مما ينتج عنه معدلات تسخين وتبريد فائقة السرعة (استجابة حرارية). يُعد هذا مفيدًا للغاية للعمليات التي تتطلب دورة حرارية سريعة (RTP)، مما يُحسّن الإنتاجية بشكل ملحوظ.

●مجال درجة الحرارة المخصص: من خلال تصميم مسار الدائرة (الأسلاك الثعبانية) لطبقة PG، يمكن تصميم توزيع مجال درجة الحرارة بدقة للتعويض عن فقدان الحرارة عند حواف التجويف، مما يحقق درجة حرارة موحدة عالية للغاية للرقاقة.

4. النقش البلازمي: أقطاب كهربائية "منخفضة الخسارة"

في الحفر الجاف، وخاصة في البيئات شديدة التآكل التي تحتوي على غازات تعتمد على الفلور أو الكلور.

●استبدال المواد الاستهلاكية: في حين يتم استخدام السيليكون أحادي البلورة أو SiC أيضًا كأقطاب كهربائية، في بعض العمليات المخصصة، يمكن لحلقات التركيز أو صفائح الأقطاب الكهربائية المصنوعة من PG، نظرًا لكثافتها ومقاومتها الكيميائية، أن تقلل من تكرار الاستبدال وتخفض تكلفة الملكية (CoO).

ثالثًا. تطبيقات الجرافيت المُحلل حراريًا في عمليات أشباه الموصلات

بفضل نقائه العالي، واستقراره في درجات الحرارة العالية، ونفاذيته الغازية المنخفضة للغاية، وموصليته الحرارية الممتازة، وتباينه القابل للتحكم، أصبح الجرافيت التحللي الحراري (PG) مادة كربونية أساسية في معدات أشباه الموصلات. في العديد من بيئات العمليات الحرجة (درجات الحرارة العالية، الفراغ، البلازما، الغازات المسببة للتآكل)، مقارنةً بالمعادن أو السيراميك، يوفر PG استقرارًا أعلى ومخاطر تلوث أقل، ولذلك يُستخدم على نطاق واسع في معدات معالجة رقائق أشباه الموصلات ومكوناتها الاستهلاكية.

1. التطبيقات في معدات CVD/PECVD/MOCVD

① ركيزة السخان ومكونات التجانس الحراري

يمكن استخدام الجرافيت التحللي (PG) كلوحة تسخين عالية الحرارة أو مادة لوحة خلفية.

●المستقبل في غرفة تفاعل النمو الفوقي MOCVD

●هيكل دعم عنصر التسخين في أفران الترسيب الكيميائي للبخار ذات درجة الحرارة العالية

②ركيزة طلاء المستقبل

تستخدم العديد من عمليات MOCVD الجرافيت الحراري المغطى بـ SiC.

مزايا الجرافيت التحلل الحراري:

● نفاذية غاز منخفضة، مما يضمن استقرار طلاء SiC

●لا تشوه في درجات الحرارة العالية، مما يحافظ على توزيع درجة حرارة الرقاقة بشكل مستقر

●خفيف الوزن، مما يقلل من قصور الأنظمة الدوارة

بوتقة مطلية بالجرافيت التحللي

2. التطبيقات في معدات الحفر

المكونات الهيكلية لبطانة التجويف ومنطقة التفاعل

يتميز الجرافيت التحليلي بمقاومة ممتازة للتآكل واستقرار في درجات الحرارة العالية في بيئات البلازما، مما يجعله مناسبًا كمواد لبطانة غرفة التفاعل أو كمواد استهلاكية:

●RIE، مكونات غرفة تفاعل ICP

● حواجز البلازما والعاكسات

●ألواح خلفية للأقطاب الكهربائية أو مكونات عازلة (حسب التصميم)

3. التطبيقات في التلدين والمعالجة الحرارية عالية الحرارة

يعد الجرافيت التحللي مادة مكونة أساسية في العديد من أفران المعالجة الحرارية ذات درجات الحرارة العالية (>1000 درجة مئوية)، بما في ذلك:

●المعالجة الحرارية السريعة (RTP)

●أفران كربيد السيليكون (SiC)

●أفران التلدين عالية الحرارة

●قوارب الجرافيت والتجهيزات

4. التطبيقات في تحميل/نقل الرقاقة والتركيبات

يتم استخدام PG على نطاق واسع في المكونات التالية، وذلك بسبب نقائه العالي وانخفاض تلوثه بالجسيمات:

●مستقبل الرقاقة

●حاملة/قارب الرقاقات

●حلقة الحافة

●حاجز تدفق الغاز

يعتبر PG مناسبًا بشكل خاص لدعامات الرقاقة في بيئات التفاعل الكيميائي أو التراكب عالي الحرارة.

5. التطبيقات في زراعة الأيونات

يستخدم الجرافيت التحللي في:

●توقف الشعاع

●الموازاة

●مكونات امتصاص الأيونات عالية الطاقة

6. التطبيقات المحتملة في أنظمة الطباعة الحجرية

على الرغم من أنه أقل شيوعًا في الاستخدام المباشر كمكونات بصرية، إلا أن الجرافيت التحللي يستخدم أيضًا في:

●مصائد الضوء الضال عالية الامتصاص

●هياكل التحكم الحراري للأنظمة البصرية

بفضل خصائص امتصاص الجسم الأسود الممتازة، فإنه يمكنه قمع الضوء الضال بشكل فعال.