半導(dǎo)體資料成長(zhǎng)的“要害”支撐——石墨制品的運(yùn)用與開展
第三代半導(dǎo)體資料，以其高臨界擊穿電場(chǎng)、高熱導(dǎo)率、高電子飽和漂移率以及高電子遷移率等卓越特性，在5G信號(hào)站、新能源轎車以及LED照明等多個(gè)范疇發(fā)揮著至關(guān)重要的效果。而石墨制品，作為支撐半導(dǎo)體資料成長(zhǎng)的要害因素，其運(yùn)用與開展也日益受到人們的關(guān)注。
高純石墨制品在第三代半導(dǎo)體單晶成長(zhǎng)設(shè)備中發(fā)揮著不可或缺的效果，它們常被用作碳化硅（SiC）單晶成長(zhǎng)爐的石墨坩堝和石墨加熱器，一起也在GaN外延成長(zhǎng)的石墨基座以及抗高溫?zé)g涂層石墨基座等方面得到廣泛運(yùn)用。
石墨坩堝，作為第三代半導(dǎo)體單晶成長(zhǎng)設(shè)備中的要害組件，在碳化硅（SiC）單晶成長(zhǎng)進(jìn)程中發(fā)揮著至關(guān)重要的效果。其安穩(wěn)性、耐高溫功能以及與碳化硅資料的相容性，使得石墨坩堝成為成長(zhǎng)爐的理想挑選。此外，在GaN外延成長(zhǎng)的石墨基座以及抗高溫?zé)g涂層石墨基座的運(yùn)用中，石墨坩堝同樣展示出了其卓越的功能。
（1）SiC長(zhǎng)晶用石墨制品
在制備SiC單晶的進(jìn)程中，PVT法以其老練性和廣泛適用性鋒芒畢露，成為現(xiàn)代工業(yè)中的干流技能。該辦法依賴于感應(yīng)線圈產(chǎn)生的渦流，然后激發(fā)高密度石墨發(fā)熱體進(jìn)行高效加熱。在操作時(shí)，碳化硅粉體被精心填入石墨坩堝底部，而碳化硅籽晶則被精確地粘結(jié)在距質(zhì)料面必定間隔的石墨坩堝蓋內(nèi)側(cè)。隨后，整個(gè)石墨坩堝被置入石墨發(fā)熱體中，通過精密調(diào)控外部石墨氈的溫度，使得碳化硅質(zhì)料處于高溫環(huán)境中，而籽晶則相應(yīng)地保持在低溫區(qū)域。
在選用PVT法進(jìn)行SiC單晶的制備進(jìn)程中，除了需求高純度的質(zhì)料以外，還有必要運(yùn)用可以承受高溫且不會(huì)污染SiC質(zhì)料和晶體的其他用品，例如高純石墨坩堝、碳纖維硬氈以及籽晶托等。由于石墨在超過2200℃的高溫環(huán)境下容易受到塵埃和雜質(zhì)的影響，因而在籽晶托盤和坩堝的外表涂抹高純度且細(xì)密性良好的涂層顯得尤為重要。
SiC長(zhǎng)晶爐中的外延石墨盤
外延工藝，即在單晶襯底上成長(zhǎng)一層與襯底晶格排列一致的單晶資料，既包括同質(zhì)外延層（如Si/Si），也包括異質(zhì)外延層（如SiGe/Si或SiC/Si等）。在硅和碳化硅的外延進(jìn)程中，晶片被置于石墨盤上，而石墨盤的規(guī)劃則有多種，如桶式、煎餅式以及單晶片石墨盤等。
藍(lán)綠光LED芯片外延工藝專用托盤
在藍(lán)綠光LED芯片的制作進(jìn)程中，外延工藝占有著舉足輕重的地位。該工藝需求在單晶襯底上精心成長(zhǎng)一層與襯底晶格高度一致的單晶資料，以保證芯片的功能和質(zhì)量。在這一環(huán)節(jié)中，外延托盤發(fā)揮著至關(guān)重要的效果，它不只承載著晶片，還是外延工藝得以順利進(jìn)行的要害因素之一。托盤的規(guī)劃和材質(zhì)挑選，直接影響到外延層的成長(zhǎng)質(zhì)量和功率。因而，針對(duì)藍(lán)綠光LED芯片的制作需求，專業(yè)研制團(tuán)隊(duì)精心規(guī)劃了藍(lán)綠光LED芯片外延工藝專用托盤，旨在提高外延層的成長(zhǎng)質(zhì)量，滿意高功能芯片的制作需求。
碳化鉭涂層石墨盤
在GaN薄膜的外延成長(zhǎng)進(jìn)程中，MOCVD設(shè)備反響腔內(nèi)的承載基座扮演著至關(guān)重要的角色。這個(gè)基座有必要具有耐高溫、均勻的熱傳導(dǎo)率、超卓的化學(xué)安穩(wěn)性，以及強(qiáng)壯的抗熱震性。石墨資料剛好能滿意這些要求。但是，由于GaN基LED外延成長(zhǎng)進(jìn)程中會(huì)運(yùn)用到氨氣，而高溫狀態(tài)下的石墨又極易受到氨氣的腐蝕，導(dǎo)致石墨碎屑脫落并污染GaN薄膜。因而，對(duì)MOCVD石墨基座的外表進(jìn)行涂層處理變得尤為重要。
例如，SiC資料不只具有半導(dǎo)體的卓越功能，還具有超卓的耐腐蝕性和化學(xué)安穩(wěn)性。更重要的是，SiC與石墨的熱膨脹系數(shù)相差無幾，這使得SiC成為石墨基座外表涂層的理想挑選之一。
此外，離子注入設(shè)備部件也是要害環(huán)節(jié)。離子注入技能涉及將硼、磷、砷等離子的束加速到特定能量后注入晶圓資料表層，然后改動(dòng)其物質(zhì)特性。這一工藝對(duì)組成離子注入設(shè)備的資料提出了嚴(yán)厲的要求，包括高耐熱性、導(dǎo)熱性，以及較低的離子束腐蝕和雜質(zhì)含量。高純石墨憑仗其卓越的功能和純凈度，被廣泛運(yùn)用于離子注入設(shè)備的飛行管、狹縫、電極等要害部件中。
（4）等離子蝕刻設(shè)備部件
在等離子體蝕刻進(jìn)程中，等離子體反響室的部件會(huì)直接露出于蝕刻氣體中，這些氣體往往具有腐蝕性，可能導(dǎo)致部件污染。但是，石墨資料在離子轟擊或等離子等極限工作環(huán)境下表現(xiàn)超卓，不易受腐蝕，因而十分適合用于等離子蝕刻設(shè)備的部件，例如石墨電極。
（5）柔性石墨箔
柔性石墨箔以天然膨脹石墨為質(zhì)料，具有優(yōu)異的半導(dǎo)體運(yùn)用功能。它可以提高體系和工藝的功率，明顯下降能耗，并保證高度可靠性。在半導(dǎo)體出產(chǎn)設(shè)備中，這種資料常被用作保溫筒、隔熱資料、柔性層以及密封資料等要害零部件。
（1）等靜壓石墨
等靜壓石墨產(chǎn)品通過冷等靜壓成型工藝打造，這一工藝賦予了坩堝卓越的安穩(wěn)性，遠(yuǎn)勝于其他出產(chǎn)辦法。但是，關(guān)于SiC單晶所需的大尺度石墨制品來說，其外表和內(nèi)部純度往往難以到達(dá)均勻規(guī)范，然后無法滿意運(yùn)用要求。為應(yīng)對(duì)這一應(yīng)戰(zhàn)，咱們選用獨(dú)特的高溫?zé)峄瘜W(xué)脈沖提純技能，對(duì)大尺度或異型石墨制品進(jìn)行深度且均勻的提純，保證產(chǎn)品外表及芯部純度均合格。
（2）多孔石墨
SiC晶體的成長(zhǎng)面對(duì)許多難題，包括成長(zhǎng)難度大、研制周期長(zhǎng)、成本高級(jí)。多孔石墨（PG）的引進(jìn)為處理這些問題供給了新的思路。近期研究顯現(xiàn)，在SiC長(zhǎng)晶爐中加入多孔石墨板能有用提高晶體成長(zhǎng)質(zhì)量。試驗(yàn)成果證明，多孔石墨在促進(jìn)傳質(zhì)均勻性、下降相變概率以及優(yōu)化晶體形狀方面發(fā)揮著明顯效果。
多孔石墨對(duì)SiC晶體成長(zhǎng)的影響
李榮臻等深化探討了多孔石墨在SiC晶體成長(zhǎng)進(jìn)程中的效果。研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用多孔石墨能有用提高質(zhì)料區(qū)域的溫度及其均勻性，然后增大了坩堝內(nèi)軸向的溫差。此外，它還能在必定程度上削弱質(zhì)料表層的重結(jié)晶現(xiàn)象。在成長(zhǎng)腔內(nèi)，多孔石墨明顯改善了物質(zhì)流動(dòng)的安穩(wěn)性，提高了成長(zhǎng)區(qū)域的C/Si比，這有助于下降相變產(chǎn)生的概率。一起，多孔石墨對(duì)晶體界面的改善效果也顯而易見。
SiC單晶成長(zhǎng)所需的高純石墨制品
在SiC單晶的成長(zhǎng)進(jìn)程中，所需石墨制品的尺度往往較大，這可能導(dǎo)致其外表和內(nèi)部純度的不均勻，然后無法滿意運(yùn)用要求。因而，高純度成為了不可或缺的嚴(yán)厲規(guī)范。特別是在半導(dǎo)體職業(yè)，對(duì)石墨的純度要求更是高達(dá)999%以上。雖然現(xiàn)在的高溫提純法可以去除低沸點(diǎn)的雜質(zhì)，如鈣、硅、鋁等，但關(guān)于某些難以鏟除的雜質(zhì)，例如硼，其生成的碳化硼熔點(diǎn)雖低但沸點(diǎn)極高，因而需求選用更為雜亂的提純辦法，如通入鹵素氣體進(jìn)行提純。
鹵素氣體法，也被稱為物化提純法，是一種有用的石墨制品提純技能。該辦法涉及將待提純的石墨制品置于真空爐內(nèi)進(jìn)行加熱，運(yùn)用爐內(nèi)的高真空度使雜質(zhì)到達(dá)飽和蒸汽壓，然后主動(dòng)揮發(fā)。一起，通過引進(jìn)鹵素氣體，如氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)、碘(I)等，可以使石墨中的高熔沸點(diǎn)氧化物轉(zhuǎn)變?yōu)榈腿鄯悬c(diǎn)的鹵化物，進(jìn)一步到達(dá)提純的意圖。通過此法提純后的炭石墨資料，其純度可提高至99%以上，乃至更高。
吳忠舉等人的試驗(yàn)證明，選用物化提純法對(duì)第三代半導(dǎo)體碳化硅所運(yùn)用的高純石墨制品進(jìn)行提純，其純度可安穩(wěn)到達(dá)9995%～9999%，且能有用去除石墨中的硼（B）和鋁（Al）雜質(zhì)，保證其含量低于設(shè)定規(guī)范，然后完全滿意第三代半導(dǎo)體碳化硅對(duì)高純石墨制品的苛刻要求。
物化提純法的提純反響機(jī)理及流程
呂尊華等人提出了一種石墨化提純工藝，該工藝結(jié)合了氯氣與氟化物的組合技能。在1850～1900℃的溫度范圍內(nèi)，通入氯氣以排除石墨中的部分非碳物質(zhì)。當(dāng)溫度升至2200℃以上后，再充入氟化物氣體進(jìn)行進(jìn)一步提純。通過這一流程，產(chǎn)品的雜質(zhì)含量可降至50×10-6以下。為滿意半導(dǎo)體對(duì)石墨制品的苛刻要求，即超低灰分規(guī)范，選用高溫真空純化設(shè)備及相關(guān)技能，進(jìn)一步將產(chǎn)品的灰分下降至5×10-6以下。
現(xiàn)在，多家企業(yè)和高校，如中鋼集團(tuán)新型資料（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資料股份有限公司以及哈爾濱理工大學(xué)等，都在鹵素氣體法方面進(jìn)行了深化的研究和運(yùn)用，推動(dòng)了半導(dǎo)體用高純石墨的進(jìn)一步開展。
等靜壓石墨產(chǎn)品，通過冷等靜壓成型工藝精制而成，以其卓越的安穩(wěn)性在坩堝制作中鋒芒畢露。這種精品石墨與高新技能和國(guó)防尖端技能緊密相連。雖然國(guó)內(nèi)已有等靜壓石墨的出產(chǎn)企業(yè)，但與國(guó)際先進(jìn)水平比較，仍存在明顯差距。首要表現(xiàn)為國(guó)內(nèi)產(chǎn)品功能較低、標(biāo)準(zhǔn)單一，且大尺度高功能等靜壓石墨制品難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。此外，與國(guó)外比較，國(guó)內(nèi)等靜壓石墨的出產(chǎn)工藝更為繁瑣，主動(dòng)化水平較低，從而推高了出產(chǎn)成本。