半導(dǎo)體材料成長(zhǎng)的“關(guān)鍵”支持——石墨制品的應(yīng)用與發(fā)展

半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)的“要害”支撐——石墨制品的運(yùn)用與展開(kāi)
第三代半導(dǎo)體材料，以其高臨界擊穿電場(chǎng)、高熱導(dǎo)率、高電子飽滿(mǎn)漂移率以及高電子遷移率等超卓特性，在5G信號(hào)站、新能源轎車(chē)以及LED照明等多個(gè)范疇發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。而石墨制品，作為支撐半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)的要害要素，其運(yùn)用與展開(kāi)也日益遭到人們的關(guān)注。
高純石墨制品在第三代半導(dǎo)體單晶生長(zhǎng)設(shè)備中發(fā)揮著不可或缺的作用，它們常被用作碳化硅（SiC）單晶生長(zhǎng)爐的石墨坩堝和石墨加熱器，一同也在GaN外延生長(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)體單晶生長(zhǎng)設(shè)備中的要害組件，在碳化硅（SiC）單晶生長(zhǎng)進(jìn)程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。其安穩(wěn)性、耐高溫功用以及與碳化硅材料的相容性，使得石墨坩堝成為生長(zhǎng)爐的志趣選擇。此外，在GaN外延生長(zhǎng)的石墨基座以及抗高溫?zé)g涂層石墨基座的運(yùn)用中，石墨坩堝相同展示出了其超卓的功用。
（1）SiC長(zhǎng)晶用石墨制品
在制備SiC單晶的進(jìn)程中，PVT法以其老到性和廣泛適用性嶄露頭角，成為現(xiàn)代工業(yè)中的干流技術(shù)。該方法依賴(lài)于感應(yīng)線圈產(chǎn)生的渦流，然后激起高密度石墨發(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)在距材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(guò)精細(xì)調(diào)控外部石墨氈的溫度，使得碳化硅材料處于高溫環(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，除了需求高純度的材料以外，還有必要運(yùn)用可以接受高溫且不會(huì)污染SiC材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。由于石墨在超越2200℃的高溫環(huán)境下簡(jiǎn)略遭到塵土和雜質(zhì)的影響，因此在籽晶托盤(pán)和坩堝的表面涂改高純度且細(xì)密性超卓的涂層顯得尤為重要。
SiC長(zhǎng)晶爐中的外延石墨盤(pán)
外延工藝，即在單晶襯底上生長(zhǎng)一層與襯底晶格擺放共同的單晶材料，既包含同質(zhì)外延層（如Si/Si），也包含異質(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(pán)上，而石墨盤(pán)的規(guī)劃則有多種，如桶式、煎餅式以及單晶片石墨盤(pán)等。
藍(lán)綠光LED芯片外延工藝專(zhuān)用托盤(pán)
在藍(lán)綠光LED芯片的制造進(jìn)程中，外延工藝占有著無(wú)足輕重的位置。該工藝需求在單晶襯底上精心生長(zhǎng)一層與襯底晶格高度共同的單晶材料，以確保芯片的功用和質(zhì)量。在這一環(huán)節(jié)中，外延托盤(pán)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，它不只承載著晶片，仍是外延工藝得以順利進(jìn)行的要害要素之一。托盤(pán)的規(guī)劃和原料選擇，直接影響到外延層的生長(zhǎng)質(zhì)量和功率。因此，針對(duì)藍(lán)綠光LED芯片的制造需求，專(zhuān)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(zhuān)用托盤(pán)，旨在行進(jìn)外延層的生長(zhǎng)質(zhì)量，滿(mǎn)足高功用芯片的制造需求。
碳化鉭涂層石墨盤(pán)
在GaN薄膜的外延生長(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)重要的人物。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)健的抗熱震性。石墨材料剛好能滿(mǎn)足這些要求?？墒牵捎贕aN基LED外延生長(zhǎng)進(jìn)程中會(huì)運(yùn)用到氨氣，而高溫狀態(tài)下的石墨又極易遭到氨氣的腐蝕，導(dǎo)致石墨碎屑掉落并污染GaN薄膜。因此，對(duì)MOCVD石墨基座的表面進(jìn)行涂層處理變得尤為重要。
例如，SiC材料不只具有半導(dǎo)體的超卓功用，還具有超卓的耐腐蝕性和化學(xué)安穩(wěn)性。更重要的是，SiC與石墨的熱脹大系數(shù)相差無(wú)幾，這使得SiC成為石墨基座表面涂層的志趣選擇之一。
此外，離子注入設(shè)備部件也是要害環(huán)節(jié)。離子注入技術(shù)觸及將硼、磷、砷等離子的束加速到特定能量后注入晶圓材料表層，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)備的材料提出了嚴(yán)峻的要求，包含高耐熱性、導(dǎo)熱性，以及較低的離子束腐蝕和雜質(zhì)含量。高純石墨憑仗其超卓的功用和純凈度，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，或許導(dǎo)致部件污染?？墒?，石墨材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，因此非常合適用于等離子蝕刻設(shè)備的部件，例如石墨電極。
（5）柔性石墨箔
柔性石墨箔以天然脹大石墨為材料，具有優(yōu)異的半導(dǎo)體運(yùn)用功用。它可以行進(jìn)系統(tǒng)和工藝的功率，顯著下降能耗，并確保高度可靠性。在半導(dǎo)體出產(chǎn)設(shè)備中，這種材料常被用作保溫筒、隔熱材料、柔性層以及密封材料等要害零部件。
（1）等靜壓石墨
等靜壓石墨產(chǎn)品通過(guò)冷等靜壓成型工藝打造，這一工藝賦予了坩堝超卓的安穩(wěn)性，遠(yuǎn)勝于其他出產(chǎn)方法?？墒?，關(guān)于SiC單晶所需的大標(biāo)準(zhǔn)石墨制品來(lái)說(shuō)，其表面和內(nèi)部純度往往難以抵達(dá)均勻標(biāo)準(zhǔn)，然后無(wú)法滿(mǎn)足運(yùn)用要求。為應(yīng)對(duì)這一應(yīng)戰(zhàn)，咱們選用共同的高溫?zé)峄瘜W(xué)脈沖提純技術(shù)，對(duì)大標(biāo)準(zhǔn)或異型石墨制品進(jìn)行深度且均勻的提純，確保產(chǎn)品表面及芯部純度均合格。
（2）多孔石墨
SiC晶體的生長(zhǎng)面對(duì)許多難題，包含生長(zhǎng)難度大、研制周期長(zhǎng)、本錢(qián)高級(jí)。多孔石墨（PG）的引進(jìn)為處理這些問(wèn)題供應(yīng)了新的思路。近期研討閃現(xiàn)，在SiC長(zhǎng)晶爐中參加多孔石墨板能有用行進(jìn)晶體生長(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)揮著顯著作用。
多孔石墨對(duì)SiC晶體生長(zhǎng)的影響
李榮臻等深化探討了多孔石墨在SiC晶體生長(zhǎng)進(jìn)程中的作用。研討發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用多孔石墨能有用行進(jìn)材料區(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材料表層的重結(jié)晶現(xiàn)象。在生長(zhǎng)腔內(nèi)，多孔石墨顯著改進(jìn)了物質(zhì)活動(dòng)的安穩(wěn)性，行進(jìn)了生長(zhǎng)區(qū)域的C/Si比，這有助于下降相變產(chǎn)生的概率。一同，多孔石墨對(duì)晶體界面的改進(jìn)作用也清楚明了。
SiC單晶生長(zhǎng)所需的高純石墨制品
在SiC單晶的生長(zhǎng)進(jìn)程中，所需石墨制品的標(biāo)準(zhǔn)往往較大，這或許導(dǎo)致其表面和內(nèi)部純度的不均勻，然后無(wú)法滿(mǎn)足運(yùn)用要求。因此，高純度成為了不可或缺的嚴(yán)峻標(biāo)準(zhǔn)。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)于某些難以根除的雜質(zhì)，例如硼，其生成的碳化硼熔點(diǎn)雖低但沸點(diǎn)極高，因此需求選用更為雜亂的提純方法，如通入鹵素氣體進(jìn)行提純。
鹵素氣體法，也被稱(chēng)為物化提純法，是一種有用的石墨制品提純技術(shù)。該方法觸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)抵達(dá)飽滿(mǎn)蒸汽壓，然后主動(dòng)蒸發(fā)。一同，通過(guò)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)一步抵達(dá)提純的目的。通過(guò)此法提純后的炭石墨材料，其純度可行進(jìn)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)抵達(dá)9995%～9999%，且能有用去除石墨中的硼（B）和鋁（Al）雜質(zhì)，確保其含量低于設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，然后徹底滿(mǎn)足第三代半導(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術(shù)。在1850～1900℃的溫度范圍內(nèi)，通入氯氣以掃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(guò)這一流程，產(chǎn)品的雜質(zhì)含量可降至50×10-6以下。為滿(mǎn)足半導(dǎo)體對(duì)石墨制品的苛刻要求，即超低灰分標(biāo)準(zhǔn)，選用高溫真空純化設(shè)備及相關(guān)技術(shù)，進(jìn)一步將產(chǎn)品的灰分下降至5×10-6以下。
等靜壓石墨產(chǎn)品，通過(guò)冷等靜壓成型工藝精制而成，以其超卓的安穩(wěn)性在坩堝制造中嶄露頭角。這種精品石墨與高新技術(shù)和國(guó)防頂級(jí)技術(shù)嚴(yán)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，仍存在顯著差距。首要表現(xiàn)為國(guó)內(nèi)產(chǎn)品功用較低、標(biāo)準(zhǔn)單一，且大標(biāo)準(zhǔn)高功用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，然后推高了出產(chǎn)本錢(qián)。

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