干熱場這行的都懂，石墨選錯整爐報廢

干半導(dǎo)體熱場這行的老師傅都清楚，石墨件選不對，整爐晶棒可能直接報廢，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問題。第一是各向異性，擠壓或者模壓出來的石墨，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、強度都不一樣。爐子跑起來以后，熱場溫度分布不均勻，晶棒生長界面根本控不住，拉出來的晶棒質(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)體級要求灰分小于30ppm，碳含量要達到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做熱場核心部件，這不是跟風(fēng)，是工藝逼出來的選擇。

等靜壓成型到底強在哪？關(guān)鍵就一個詞：各向同性

為什么等靜壓石墨能解決上面說的那兩個痛點？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，壓力從一個方向加進去，粉料顆粒會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，放進高壓容器，用液體介質(zhì)從四面八方同時加壓，壓力均勻傳遞到每個表面，粉料顆粒不會沿某個方向定向排列，而是雜亂密實，燒出來之后各個方向性能一致，這就是各向同性。對半導(dǎo)體熱場來說，這一點非常關(guān)鍵——加熱器、坩堝這些部件如果某個方向?qū)峥?、某個方向?qū)崧?，爐內(nèi)溫度場就會出現(xiàn)局部過熱或溫差，晶棒生長界面就控不住，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)體級要求雜質(zhì)含量控制在ppm級別，灰分要小于30ppm，碳含量得達到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，根本達不到半導(dǎo)體的要求。而且等靜壓石墨還要經(jīng)過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、抗腐蝕性能都會得到很大提升，機械加工性能也跟著改善。

工藝對比一看就明白，成本高但值這個價

從工藝角度對比一下就很清楚了。擠壓成型適合做長條狀的石墨電極、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)，三個方向性能不一致。等靜壓成型雖然設(shè)備貴、周期長，但出來的坯料密度均勻，各個方向性能一致，后續(xù)加工精度也高。而且等靜壓石墨要經(jīng)過多次焙燒和浸漬循環(huán)，處理周期長達兩到三個月，反復(fù)浸漬焙燒才能把密度和強度提上去?，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)線的實際應(yīng)用中，等靜壓石墨主要用在單晶直拉爐的熱場系統(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，熔點高達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，壽命比普通石墨長不少。另外它的機械加工性能好，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上都能對上號，所以它在半導(dǎo)體熱場領(lǐng)域的地位短期內(nèi)不會被替代。當(dāng)然成本確實比普通石墨高，制備周期也長，但對追求良率和穩(wěn)定性的產(chǎn)線來說，這筆賬算得過來。