中國(guó)粉體網(wǎng)訊 第三代半導(dǎo)體具有高臨界擊穿電場(chǎng),、高熱導(dǎo)率、高電子飽和漂移率和高電子遷移率等優(yōu)異特性,，如今廣泛應(yīng)用在5G信號(hào)站,、新能源汽車和LED等領(lǐng)域。
1,、半導(dǎo)體用石墨制品
高純石墨制品在第三代半導(dǎo)體單晶生長(zhǎng)設(shè)備應(yīng)用非常廣泛,，主要用于碳化硅(SiC)單晶生長(zhǎng)爐石墨坩堝和石墨加熱器，還普遍用于GaN外延生長(zhǎng)石墨基座和抗高溫?zé)g涂層石墨基座等,。
石墨坩堝 圖源：弘信新材
石墨加熱器 圖源：弘信新材
（1）SiC長(zhǎng)晶用石墨制品
如今,，PVT是現(xiàn)代工業(yè)化中最成熟、最常用的一種制備SiC單晶方法,。該方法使用感應(yīng)線圈進(jìn)行加熱,，在渦流作用下高密度石墨發(fā)熱體將被加熱。將碳化硅粉體填滿石墨坩堝的底部,，碳化硅籽晶粘結(jié)在距原料面有一定距離的石墨坩堝蓋內(nèi)部,，然后將石墨坩堝整體置于石墨發(fā)熱體中，通過(guò)調(diào)節(jié)外部石墨氈的溫度,，使碳化硅的原料置于高溫區(qū),，而碳化硅籽晶相應(yīng)的處于低溫區(qū)。
采用PVT制備SiC單晶,，除了高純度的原料,，還需使用高純石墨坩堝、碳纖維硬氈,、籽晶托等其他能夠承受高溫而不污染SiC原料和晶體的用品,。籽晶托盤(pán)和坩堝通常是由石墨制成的，而石墨在2200℃以上的溫度下很容易受到灰塵和雜質(zhì)的影響,。因此,，在它們的表面涂上高純度、高致密涂層至關(guān)重要,。
SiC長(zhǎng)晶爐示意圖
（2）外延石墨盤(pán)
外延工藝是指在單晶襯底上生長(zhǎng)一層跟襯底具有相同晶格排列的單晶材料,，外延層可以是同質(zhì)外延層(Si/Si),，也可以是異質(zhì)外延層(SiGe/Si或SiC/Si等)。在硅和碳化硅的外延工藝中,，晶片承載在石墨盤(pán)上,，有桶式、煎餅式和單晶片石墨盤(pán),。
藍(lán)綠光LED芯片外延托盤(pán)
碳化鉭涂層石墨盤(pán)
GaN薄膜外延生長(zhǎng)承載基座,，作為MOCVD設(shè)備反應(yīng)腔內(nèi)重要部件，需要有耐高溫,、熱傳導(dǎo)率均勻,、化學(xué)穩(wěn)定性良好、較強(qiáng)的抗熱震性等優(yōu)點(diǎn),，石墨材料能夠滿足上述條件,。但是GaN基LED外延生長(zhǎng)過(guò)程中使用的氣體為氨氣，高溫狀態(tài)下石墨極易受到氨氣腐蝕,，造成石墨掉落碎屑,，將GaN薄膜污染，因此需要對(duì)MOCVD石墨基座表面進(jìn)行涂層涂覆,。例如SiC不僅具有半導(dǎo)體的優(yōu)異性能,，還具有耐腐蝕和高的化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，且SiC熱膨脹系數(shù)與石墨的熱膨脹系數(shù)相差很小,，因此SiC是作為石墨基座表面涂層的首選材料之一,。
（3）離子注入設(shè)備部件
離子注入是指將硼、磷,、砷等離子束加速到一定能量,，然后注入晶圓材料的表層內(nèi)，以改變材料表層物質(zhì)特性的工藝,。組成離子注入裝置部件的材料要求具有優(yōu)異耐熱性,、導(dǎo)熱性、由離子束引起的腐蝕較少且雜質(zhì)含量低等特性的高純材料,。高純石墨滿足應(yīng)用要求,，可用于離子注入設(shè)備的飛行管、各種狹縫,、電極,、電極罩、導(dǎo)管,、束終止器等,。
離子注入設(shè)備部件 圖源：弘信新材
（4）等離子蝕刻設(shè)備部件
在等離子體蝕刻處理過(guò)程中，等離子體反應(yīng)室的部件表面會(huì)暴露在等離子體蝕刻氣體中,，被腐蝕,，造成污染,。而石墨在離子轟擊或等離子等極限工作條件下，不易受腐蝕,，可用于等離子蝕刻設(shè)備部件,，如石墨電極。
（5）柔性石墨箔
柔性石墨箔由天然膨脹石墨制成,，在半導(dǎo)體應(yīng)用上可提高系統(tǒng)和工藝的性能,，最大限度的降低能耗并保證可靠性�,？捎糜诎雽�(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備中的保溫筒,、隔熱材料、柔性層,、密封材料等各種零部件,。
2、半導(dǎo)體用石墨種類
（1）等靜壓石墨
等靜壓石墨產(chǎn)品是通過(guò)冷等靜壓成型工藝生產(chǎn)的,，與其他成型方法相比，該工藝生產(chǎn)的坩堝具有優(yōu)異的穩(wěn)定性,。SiC單晶所需石墨制品都是大尺寸,，會(huì)導(dǎo)致石墨制品表面和內(nèi)部純度不均勻，滿足不了使用要求,。為解決SiC單晶所需大尺寸石墨制品的深度純化要求,，宜采用獨(dú)特的高溫?zé)峄瘜W(xué)脈沖提純工藝，實(shí)現(xiàn)大尺寸或異型石墨制品的深度,、均勻提純,，使產(chǎn)品表面及芯部純度都能滿足使用要求。
（2）多孔石墨
SiC晶體生長(zhǎng)難度大,，研發(fā)周期長(zhǎng),，研發(fā)成本高，如何降低研發(fā)成本,、加快研發(fā)進(jìn)度,、提高晶體質(zhì)量成為行業(yè)發(fā)展的難題。近年來(lái),，多孔石墨(PG)的引入有效改善了晶體生長(zhǎng)的質(zhì)量,，在SiC長(zhǎng)晶爐增加多孔石墨板是業(yè)界研究的熱點(diǎn)之一。晶體生長(zhǎng)結(jié)果實(shí)際驗(yàn)證了多孔石墨在提高傳質(zhì)均勻性,、降低相變發(fā)生率和改善晶體外形上的作用,。
多孔石墨制品 圖源：恒普
李榮臻等研究了多孔石墨對(duì)SiC晶體生長(zhǎng)的影響。結(jié)果表明：多孔石墨的使用提高了原料區(qū)域的溫度及溫度均勻性,，增大了坩堝內(nèi)軸向溫差,，對(duì)減弱原料表層的重結(jié)晶也具有一定作用,；在生長(zhǎng)腔內(nèi)，多孔石墨改善了物質(zhì)流動(dòng)在整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程中的穩(wěn)定性,，提高了生長(zhǎng)區(qū)域的C/Si比,，有助于減小相變發(fā)生概率，同時(shí)多孔石墨對(duì)晶體界面也起到改善作用,。
3,、半導(dǎo)體用石墨提純技術(shù)研究
SiC單晶所需石墨制品都是大尺寸，會(huì)導(dǎo)致石墨制品表面和內(nèi)部純度不均勻,，滿足不了使用要求,，因此高純度是必須滿足的硬指標(biāo)。半導(dǎo)體行業(yè),，對(duì)石墨的純度要求達(dá)到99.999%以上,。目前即使通過(guò)高溫提純也已經(jīng)無(wú)法完全達(dá)到純度要求，一般高溫提純法可以將一些低沸點(diǎn)的雜質(zhì)如鈣,、硅,、鋁等去除掉，但對(duì)于一些難以清除的雜質(zhì)則無(wú)效,。例如,，硼會(huì)生產(chǎn)碳化硼，這種物質(zhì)熔點(diǎn)雖然只有2350℃,，但其沸點(diǎn)高達(dá)3500℃,，因此必須采用通入鹵素氣體的提純法。
不同提純法的提純后純度%
鹵素氣體法也稱物化提純法,，是將需要提純的石墨制品放置在真空爐內(nèi)加熱,，通過(guò)爐內(nèi)真空度提高，使石墨制品中的雜質(zhì)達(dá)到其飽和蒸汽壓時(shí)自動(dòng)揮發(fā),；另外通過(guò)鹵素氣體將石墨雜質(zhì)中熔沸點(diǎn)高的氧化物轉(zhuǎn)變成熔沸點(diǎn)低的鹵化物,，達(dá)到提純效果,。鹵素提純后炭石墨材料純度可達(dá)99.99%以上,，主要的鹵素包括：氟(F),、氯(Cl),、溴(Br)、碘(I)等元素,。
吳忠舉等通過(guò)試驗(yàn)證明，使用物化提純法對(duì)第三代半導(dǎo)體碳化硅用石墨制品進(jìn)行提純，其純度可以穩(wěn)定在99.9995%～99.9999%（要求≥99.9995%）,，并且可以定向去除第三代半導(dǎo)體碳化硅用高純石墨制品中B（要求≤0.05×10-6）和Al（要求≤0.05×10-6）,，完全可以滿足第三代半導(dǎo)體碳化硅用高純石墨制品的純度要求。
物化提純法的提純反應(yīng)機(jī)理及提純流程
呂尊華等采用石墨化提純工藝采用氯氣與氟化物的組合技術(shù),，產(chǎn)品在1850～1900℃時(shí)通入氯氣排除部分非碳物質(zhì),，溫度達(dá)到2200℃以后通過(guò)充入氟化物氣體對(duì)產(chǎn)品再次提純，雜質(zhì)含量可以達(dá)到50×10-6以下,。為滿足半導(dǎo)體對(duì)石墨制品的超低灰分要求,，通過(guò)高溫真空純化設(shè)備及相關(guān)技術(shù)，使產(chǎn)品的灰分降到5×10-6以下,。
目前中鋼集團(tuán)新型材料(浙江)有限公司、羅蘭先進(jìn)石墨(昆山)有限公司,、湖南頂立科技有限公司,、上海東洋炭素有限公司,、深圳市貝特瑞新能源材料股份有限公司,、哈爾濱理工大學(xué)等企業(yè)及高校對(duì)鹵素氣體法也進(jìn)行了深入的研究和應(yīng)用,。
4,、半導(dǎo)體用高純石墨發(fā)展水平
等靜壓石墨產(chǎn)品是通過(guò)冷等靜壓成型工藝生產(chǎn)的，與其他成型方法相比,，該工藝生產(chǎn)的坩堝具有優(yōu)異的穩(wěn)定性,。等靜壓石墨是石墨制品中的精品,，與高新技術(shù)、國(guó)防尖端技術(shù)緊密相關(guān)。國(guó)內(nèi)雖然有等靜壓石墨生產(chǎn)企業(yè)，但是與國(guó)外相比還是存在較大差距,，國(guó)內(nèi)大部分等靜壓石墨制品性能較低、規(guī)格單一，且大尺寸高性能等靜壓石墨制品不能大規(guī)模的量產(chǎn)。與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)等靜壓石墨工藝涉及更多步驟，實(shí)現(xiàn)高成品率的自動(dòng)化水平相對(duì)較低,，導(dǎo)致生產(chǎn)成本較高。
參考來(lái)源：
吳忠舉，物化提純法提純SiC用高純石墨制品技術(shù)研究,山西中電科新能源技術(shù)有限公司
劉維鵬，炭石墨材料鹵素氣體提純技術(shù)，西安超碼科技有限公司
龍振，第三代半導(dǎo)體生產(chǎn)應(yīng)用“四高兩涂”碳基材料的技術(shù)現(xiàn)狀，南昌大學(xué)物
呂尊華，半導(dǎo)體用基體特種石墨的研究,，四川福碳新材料科技有限公司
(中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/昧光)
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