做半導(dǎo)體的都清楚，單晶硅拉制爐里頭溫度動(dòng)輒1600℃往上走，熱場(chǎng)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(shuō)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(lái)繞去，最后還是得靠等靜壓石墨來(lái)?yè)螆?chǎng)子。這東西上世紀(jì)60年代就有了，但真正在半導(dǎo)體行業(yè)站穩(wěn)腳跟，靠的就是兩個(gè)字：耐造。
為啥偏偏是等靜壓石墨？把原理掰開了說(shuō)
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(lái)就不一樣了。冷等靜壓成型的時(shí)候，壓力從四面八方均勻壓過(guò)來(lái)，粉末顆粒不管朝哪個(gè)方向都被壓得一樣實(shí)。結(jié)果就是各個(gè)方向的性能基本一致，不會(huì)出現(xiàn)局部過(guò)熱或者應(yīng)力集中的問(wèn)題。再說(shuō)溫度這塊，等靜壓石墨的熔點(diǎn)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(wàn)分之五以下，不會(huì)往硅液里跑金屬離子，這對(duì)高端芯片來(lái)說(shuō)是剛需。導(dǎo)熱系數(shù)能到800W/m·K以上，熱量傳得快又均勻，晶體生長(zhǎng)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(jué)得石墨都差不多，其實(shí)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(wèn)題解決不了，做熱場(chǎng)部件容易出問(wèn)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(xì)粉，跟煤瀝青混捏，然后放進(jìn)橡膠模具里，抽真空后放進(jìn)高壓容器，用100到200兆帕的壓力從各個(gè)方向壓實(shí)。這個(gè)過(guò)程叫冷等靜壓，出來(lái)的坯體密度均勻、結(jié)構(gòu)致密。后面還要經(jīng)過(guò)焙燒、浸漬、石墨化，整個(gè)周期長(zhǎng)達(dá)兩三個(gè)月。焙燒的時(shí)候升溫速度不能超過(guò)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(qiáng)度。
實(shí)際用起來(lái)什么表現(xiàn)？關(guān)鍵參數(shù)擺出來(lái)
在半導(dǎo)體單晶直拉爐里，等靜壓石墨主要做坩堝、加熱器、導(dǎo)流筒、保溫罩這些部件。現(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(duì)材料的均勻性和強(qiáng)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(qiáng)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(shuō)明氣孔少，不容易滲硅液；強(qiáng)度高說(shuō)明能扛住熱應(yīng)力，不容易碎裂；電阻率低說(shuō)明導(dǎo)電性好，加熱效率高。做太陽(yáng)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(dāng)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(shuō)點(diǎn)實(shí)在的，選型時(shí)候注意啥
等靜壓石墨不是萬(wàn)能的。成本比普通石墨高不少，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，大尺寸部件的一致性控制有難度。選型的時(shí)候重點(diǎn)看三樣：純度夠不夠，半導(dǎo)體用的雜質(zhì)得控制在百萬(wàn)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(diǎn)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(chǎng)部件里不可替代的原因之一。做這行的都知道，材料選對(duì)了，后面的事就順了。等靜壓石墨在半導(dǎo)體熱場(chǎng)里的地位，短期內(nèi)還真沒(méi)別的材料能替代。
]]>干半導(dǎo)體熱場(chǎng)這行的老師傅都清楚，石墨件選不對(duì)，整爐晶棒可能直接報(bào)廢，這不是嚇唬人。普通石墨用在半導(dǎo)體單晶爐里，最讓人頭疼的就兩個(gè)問(wèn)題。第一是各向異性，擠壓或者模壓出來(lái)的石墨，粉料顆粒沿壓力方向排列，形成層狀結(jié)構(gòu)，縱向和橫向的熱導(dǎo)率、強(qiáng)度都不一樣。爐子跑起來(lái)以后，熱場(chǎng)溫度分布不均勻，晶棒生長(zhǎng)界面根本控不住，拉出來(lái)的晶棒質(zhì)量參差不齊，良率直接往下掉。第二是純度不夠，普通石墨的灰分通常在50ppm以上，而半導(dǎo)體級(jí)要求灰分小于30ppm，碳含量要達(dá)到99.999%以上。金屬離子一旦污染硅熔體，這批料基本就廢了。所以現(xiàn)在大尺寸晶圓產(chǎn)線，基本都在用等靜壓石墨來(lái)做熱場(chǎng)核心部件，這不是跟風(fēng)，是工藝逼出來(lái)的選擇。
等靜壓成型到底強(qiáng)在哪？關(guān)鍵就一個(gè)詞：各向同性
為什么等靜壓石墨能解決上面說(shuō)的那兩個(gè)痛點(diǎn)？核心在于它的成型原理跟普通石墨完全不一樣。普通石墨用擠壓或者模壓成型，壓力從一個(gè)方向加進(jìn)去，粉料顆粒會(huì)沿壓力方向取向排列，形成層狀結(jié)構(gòu)，結(jié)果就是縱向和橫向的熱導(dǎo)率、強(qiáng)度都不一樣，這就是各向異性。等靜壓成型遵循帕斯卡定律，把粉料裝在橡膠模具里，放進(jìn)高壓容器，用液體介質(zhì)從四面八方同時(shí)加壓，壓力均勻傳遞到每個(gè)表面，粉料顆粒不會(huì)沿某個(gè)方向定向排列，而是雜亂密實(shí)，燒出來(lái)之后各個(gè)方向性能一致，這就是各向同性。對(duì)半導(dǎo)體熱場(chǎng)來(lái)說(shuō)，這一點(diǎn)非常關(guān)鍵——加熱器、坩堝這些部件如果某個(gè)方向?qū)峥?、某個(gè)方向?qū)崧瑺t內(nèi)溫度場(chǎng)就會(huì)出現(xiàn)局部過(guò)熱或溫差，晶棒生長(zhǎng)界面就控不住，直接影響成品率。
純度這塊，普通石墨真比不了
除了各向同性，等靜壓石墨的純度也是普通石墨比不了的。半導(dǎo)體級(jí)要求雜質(zhì)含量控制在ppm級(jí)別，灰分要小于30ppm，碳含量得達(dá)到99.999%以上。等靜壓石墨的原料一般用針狀石油焦，硫含量低、灰分低，再經(jīng)過(guò)多次浸漬焙燒循環(huán)和高溫提純處理，用氯氣或氟利昂把殘留的金屬雜質(zhì)轉(zhuǎn)化為鹵化物揮發(fā)掉，最終制品的灰分能控制在極低水平。普通擠壓石墨的灰分通常在50ppm以上，根本達(dá)不到半導(dǎo)體的要求。而且等靜壓石墨還要經(jīng)過(guò)2000到3000度的高溫石墨化處理，碳原子從亂層結(jié)構(gòu)變成三維有序的層狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電率、導(dǎo)熱率、抗腐蝕性能都會(huì)得到很大提升，機(jī)械加工性能也跟著改善。
工藝對(duì)比一看就明白，成本高但值這個(gè)價(jià)
從工藝角度對(duì)比一下就很清楚了。擠壓成型適合做長(zhǎng)條狀的石墨電極、石墨塊，生產(chǎn)效率高，但制品密度不均勻，中心疏松邊緣致密，而且各向異性明顯。模壓成型適合形狀規(guī)則的小件，但同樣存在層狀結(jié)構(gòu)，三個(gè)方向性能不一致。等靜壓成型雖然設(shè)備貴、周期長(zhǎng)，但出來(lái)的坯料密度均勻，各個(gè)方向性能一致，后續(xù)加工精度也高。而且等靜壓石墨要經(jīng)過(guò)多次焙燒和浸漬循環(huán)，處理周期長(zhǎng)達(dá)兩到三個(gè)月，反復(fù)浸漬焙燒才能把密度和強(qiáng)度提上去?，F(xiàn)在不少石墨加工企業(yè)也在布局等靜壓石墨產(chǎn)線，河南六工石墨有限公司也有相關(guān)制品，采用冷等靜壓成型加多次焙燒浸漬的工藝路線，能做出密度1.8g每立方厘米以上的高純塊料，公差能控制在0.01毫米左右。
落到產(chǎn)線上，等靜壓石墨到底好在哪
落到半導(dǎo)體產(chǎn)線的實(shí)際應(yīng)用中，等靜壓石墨主要用在單晶直拉爐的熱場(chǎng)系統(tǒng)里，包括坩堝、加熱器、導(dǎo)流筒、保溫罩這些部件，大約有30種不同的石墨件?，F(xiàn)在8英寸、12英寸晶圓已經(jīng)成為主流，加熱區(qū)直徑做到800毫米，石墨坩堝直徑要到860毫米，加熱器直徑接近1000毫米，這么大的尺寸對(duì)材料的均勻性要求非常高，普通石墨根本扛不住。等靜壓石墨的抗熱震性能也很突出，熔點(diǎn)高達(dá)3800度，熱膨脹系數(shù)極低，急冷急熱不開裂，爐子開開停停頻繁的工況下，壽命比普通石墨長(zhǎng)不少。另外它的機(jī)械加工性能好，硬度適中、切削阻力小，CNC精加工不崩角不掉粉，能做出復(fù)雜異形結(jié)構(gòu)，表面光潔度也能滿足半導(dǎo)體設(shè)備的裝配要求。說(shuō)白了，半導(dǎo)體行業(yè)選材料就看三條：純度夠不夠、均勻性好不好、耐不耐高溫。等靜壓石墨在這三項(xiàng)上都能對(duì)上號(hào)，所以它在半導(dǎo)體熱場(chǎng)領(lǐng)域的地位短期內(nèi)不會(huì)被替代。當(dāng)然成本確實(shí)比普通石墨高，制備周期也長(zhǎng)，但對(duì)追求良率和穩(wěn)定性的產(chǎn)線來(lái)說(shuō)，這筆賬算得過(guò)來(lái)。
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