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

半導(dǎo)體材料生長的“要害”支撐——石墨制品的運(yùn)用與展開
第三代半導(dǎo)體材料，以其高臨界擊穿電場、高熱導(dǎo)率、高電子飽滿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)體材料生長的要害要素，其運(yùn)用與展開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）單晶生長爐的石墨坩堝和石墨加熱器，一同也在GaN外延生長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)體單晶生長設(shè)備中的要害組件，在碳化硅（SiC）單晶生長進(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爐的志趣選擇。此外，在GaN外延生長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)境下簡略遭到塵土和雜質(zhì)的影響，因此在籽晶托盤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長晶爐中的外延石墨盤
外延工藝，即在單晶襯底上生長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，晶片被置于石墨盤上，而石墨盤的規(guī)劃則有多種，如桶式、煎餅式以及單晶片石墨盤等。
藍(lán)綠光LED芯片外延工藝專用托盤
在藍(lán)綠光LED芯片的制造進(jìn)程中，外延工藝占有著無足輕重的位置。該工藝需求在單晶襯底上精心生長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。托盤的規(guī)劃和原料選擇，直接影響到外延層的生長質(zhì)量和功率。因此，針對藍(lán)綠光LED芯片的制造需求，專業(yè)研制團(tuán)隊(duì)精心規(guī)劃了藍(lán)綠光LED芯片外延工藝專用托盤，旨在行進(jìn)外延層的生長質(zhì)量，滿足高功用芯片的制造需求。
碳化鉭涂層石墨盤
在GaN薄膜的外延生長進(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。石墨材料剛好能滿足這些要求?？墒?，由于GaN基LED外延生長進(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。可是，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)石墨制品來說，其表面和內(nèi)部純度往往難以抵達(dá)均勻標(biāo)準(zhǔn)，然后無法滿足運(yùn)用要求。為應(yīng)對這一應(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晶體的生長面對許多難題，包含生長難度大、研制周期長、本錢高級(jí)。多孔石墨（PG）的引進(jìn)為處理這些問題供應(yīng)了新的思路。近期研討閃現(xiàn)，在SiC長晶爐中參加多孔石墨板能有用行進(jìn)晶體生長質(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SiC晶體生長的影響
李榮臻等深化探討了多孔石墨在SiC晶體生長進(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，多孔石墨對晶體界面的改進(jìn)作用也清楚明了。
SiC單晶生長所需的高純石墨制品
在SiC單晶的生長進(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，然后無法滿足運(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)飽滿蒸汽壓，然后主動(dòng)蒸發(fā)。一同，通過引進(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)，然后徹底滿足第三代半導(dǎo)體碳化硅對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。通過這一流程，產(chǎn)品的雜質(zhì)含量可降至50×10-6以下。為滿足半導(dǎo)體對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)和國防頂級(jí)技術(shù)嚴(yán)密相連。雖然國內(nèi)已有等靜壓石墨的出產(chǎn)企業(yè)，但與國際先進(jìn)水平比較，仍存在顯著差距。首要表現(xiàn)為國內(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，與國外比較，國內(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。

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