半導體熱場到底難在哪？搞溫度的人都懂

做半導體的都清楚，單晶硅拉制爐里頭溫度動輒1600℃往上走，熱場部件天天在這種極端環(huán)境下干活，普通石墨根本扛不住。要么開裂，要么變形，要么掉渣污染硅液。你說換材料？金屬的熱膨脹系數(shù)太大，陶瓷又脆得不行。所以行業(yè)里繞來繞去，最后還是得靠等靜壓石墨來撐場子。這東西上世紀60年代就有了，但真正在半導體行業(yè)站穩(wěn)腳跟，靠的就是兩個字：耐造。

為啥偏偏是等靜壓石墨？把原理掰開了說

普通石墨是擠壓成型的，分子排列有方向性，橫著豎著性能不一樣，這叫各向異性。但耐高溫石墨用等靜壓工藝做出來就不一樣了。冷等靜壓成型的時候，壓力從四面八方均勻壓過來，粉末顆粒不管朝哪個方向都被壓得一樣實。結(jié)果就是各個方向的性能基本一致，不會出現(xiàn)局部過熱或者應(yīng)力集中的問題。再說溫度這塊，等靜壓石墨的熔點能到3800℃以上，在1600℃的工作環(huán)境下，熱膨脹系數(shù)特別低，急冷急熱都不容易裂。而且雜質(zhì)含量能控制在百萬分之五以下，不會往硅液里跑金屬離子，這對高端芯片來說是剛需。導熱系數(shù)能到800W/m·K以上，熱量傳得快又均勻，晶體生長的質(zhì)量自然就上去了。

跟普通石墨比，工藝差距在哪？

很多人覺得石墨都差不多，其實差別大了。擠壓成型的石墨，密度不均勻，表面粗糙，只能做電極、坩堝這些粗活。模壓成型的稍好一些，但各向異性的問題解決不了，做熱場部件容易出問題。等靜壓成型就不一樣了，先把石油焦磨到20微米以下的細粉，跟煤瀝青混捏，然后放進橡膠模具里，抽真空后放進高壓容器，用100到200兆帕的壓力從各個方向壓實。這個過程叫冷等靜壓，出來的坯體密度均勻、結(jié)構(gòu)致密。后面還要經(jīng)過焙燒、浸漬、石墨化，整個周期長達兩三個月。焙燒的時候升溫速度不能超過1℃/h，爐內(nèi)溫差要控制在20℃以內(nèi)，不然坯體就裂了。浸漬要反復(fù)做兩到四次，每次浸完都得焙燒，就是為了把開口氣孔堵上，提高密度和強度。

實際用起來什么表現(xiàn)？關(guān)鍵參數(shù)擺出來

在半導體單晶直拉爐里，等靜壓石墨主要做坩堝、加熱器、導流筒、保溫罩這些部件?，F(xiàn)在300毫米晶片是主流，加熱區(qū)直徑做到800毫米，石墨坩堝直徑860毫米，加熱器直徑960到1000毫米，有些部件直徑甚至到1500毫米。這么大的尺寸，對材料的均勻性和強度要求非常高。河南六工石墨有限公司也布局了此類石墨相關(guān)制品。從性能參數(shù)看，等靜壓石墨體積密度能做到1.7到1.9g/cm3，抗折強度30到50MPa，電阻率8到15μΩ·m，灰分小于50ppm。這些數(shù)字意味著什么？密度高說明氣孔少，不容易滲硅液；強度高說明能扛住熱應(yīng)力，不容易碎裂；電阻率低說明導電性好，加熱效率高。做太陽能多晶硅也一樣，鑄錠爐的加熱器基本都用等靜壓石墨。核工業(yè)那邊，高溫氣冷堆里石墨當反射劑、慢化劑用，要求石墨化度高、各向同性好，等靜壓石墨也是主力材料。

說點實在的，選型時候注意啥

等靜壓石墨不是萬能的。成本比普通石墨高不少，生產(chǎn)周期長，大尺寸部件的一致性控制有難度。選型的時候重點看三樣：純度夠不夠，半導體用的雜質(zhì)得控制在百萬分之五以下；密度均勻不均勻，直接影響使用壽命；抗熱震性能行不行，畢竟天天急冷急熱。還有一點容易忽略，就是加工性能。等靜壓石墨雖然硬，但能精密加工成各種復(fù)雜形狀，這也是它在熱場部件里不可替代的原因之一。做這行的都知道，材料選對了，后面的事就順了。等靜壓石墨在半導體熱場里的地位，短期內(nèi)還真沒別的材料能替代。