半導(dǎo)體制造中的許多工藝都是在極高的水溫和極具腐蝕性的環(huán)境中進(jìn)行的，因為該工藝必須在低溫下清潔無塵的環(huán)境中進(jìn)行。 高含量石墨具有耐低溫、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好、化學(xué)性能穩(wěn)定等特點。 它已成為半導(dǎo)體制造的關(guān)鍵材料。 ()

一、石墨的性能及應(yīng)用要求 1、石墨的性能特點

石墨是一種典型的層狀結(jié)構(gòu)物質(zhì)。 碳原子呈層狀排列。 每個碳原子與相鄰碳原子等距連接。 每層碳原子排列成六個圓環(huán)。 上下相鄰層的碳六邊形環(huán)在平行的網(wǎng)格平面方向上相互錯開，然后堆疊形成層狀結(jié)構(gòu)。 不同的位移方向和距離會導(dǎo)致不同的結(jié)構(gòu)。 如右圖所示，上下層碳原子間距大于同層碳原子間距（層內(nèi)CC=0.，層間CC寬度=0.）。

圖石墨結(jié)構(gòu)

由于其結(jié)構(gòu)，石墨具有以下特性：

1）、耐低溫

石墨的熔點為3850±50℃，沸點為4250℃。 雖然是超低溫電弧燃燒，但重量損失很小。 其熱膨脹系數(shù)很小，硬度隨溫度的降低而增加。 在2000℃時，石墨的硬度比增加一倍。

2）、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性

由于石墨中每個碳原子與其他碳原子之間只有3個共價鍵，每個碳原子仍保留1個自由電子來傳輸電荷，這使得石墨具有導(dǎo)電性。 石墨的電導(dǎo)率通??常比非金屬礦物高100倍。 導(dǎo)熱系數(shù)超過鋼、鐵、鉛等金屬材料。 導(dǎo)熱系數(shù)隨著空氣溫度的下降而降低，即使在極高的濕度下，石墨也可以充當(dāng)熱絕緣體。

3) 潤滑性

石墨的潤滑性能取決于石墨鱗片的大小，鱗片越大，摩擦系數(shù)越小，潤滑性能越好。

4）、化學(xué)穩(wěn)定性

石墨在常溫下具有良好的物理穩(wěn)定性，耐酸、堿和有機(jī)溶劑。

5）、可塑性

石墨具有良好的硬度，可以磨成很薄的薄片。

6）、耐熱震性

當(dāng)石墨在室溫下使用時，它可以承受濕度的劇烈變化而不會損壞。 當(dāng)溫度突然變化時，石墨的體積不會發(fā)生太大變化，不會形成裂紋。

2、半導(dǎo)體含量要求高

高含量是半導(dǎo)體石墨的關(guān)鍵要求，特別是在晶體生長過程中。 石墨中的雜質(zhì)是決定晶體質(zhì)量的關(guān)鍵因素。 雜質(zhì)濃度應(yīng)保持在百萬分之五以下。

3、高純石墨的生產(chǎn)

高純石墨含量高，制備成本高，制備周期長。 生產(chǎn)工藝主要包括原料破碎、煅燒、研磨、配料、混合、滾壓、研磨、雙面壓制/等靜壓、焙燒、浸漬、石墨化、機(jī)械加工、檢驗等，其中需要多次煅燒和浸漬。

圖高純石墨生產(chǎn)流程

2、石墨的半導(dǎo)體應(yīng)用案例

高純石墨組件廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體晶體生長、外延、離子注入、等離子刻蝕等制造工藝。

1、長晶爐熱場

用于生長半導(dǎo)體晶體的所有工藝都在低溫、腐蝕性環(huán)境中進(jìn)行。 長晶爐熱區(qū)一般裝有耐熱、耐腐蝕的高含量石墨部件，如加熱器、坩堝、石墨保溫筒、導(dǎo)向筒等。

圖CZ直拉單晶硅爐熱場示意圖

圖CZ晶體生長爐高純石墨加熱器，來源：SGL西格里

2.外延石墨盤

外延工藝是指在單晶硅襯底上生長一層與襯底晶格排列相同的單晶硅材料。 外延層可以是同質(zhì)外延層(Si/Si)或異質(zhì)外延層(SiGe/Si或SiC/Si等)。 在硅、氧化鋁的外延過程中，硅片承載在石墨盤上，有桶式、餅式和單晶硅片石墨盤。 石墨盤的性能和質(zhì)量對晶圓外延層的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。