電子半導體石墨是一種高純度、高性能的碳基功能材料,廣泛應用于半導體制造的關鍵環節。其核心特性包括優異的導電性、導熱性、高溫穩定性(熔點超3000℃)、化學惰性及低熱膨脹系數,使其成為晶圓加工、單晶生長和高溫工藝中不可少的基礎材料。
在半導體工業中,高純石墨(純度通常達99.99%以上,部分產品可達99.99995%)主要用于制造熱場系統組件,如單晶硅或碳化硅(SiC)生長爐中的坩堝、加熱器、保溫筒和基座。這些部件需在2000℃以上的極d環境中長期穩定運行,而石墨憑借均勻的熱傳導性能和抗熱震能力,可有效減少晶體缺陷,提升良品率。此外,在外延工藝中,石墨托盤作為承載基板,因其尺寸穩定性好,能避免晶圓因熱應力產生裂紋。
1、晶體生長(長晶)熱場部件
這是石墨用量最大、要求最嚴苛的環節,主要用于硅(Si)、碳化硅(SiC)等晶錠的拉制:
石墨坩堝:直接接觸高溫熔體(硅約1420℃,碳化硅約2500℃+),盛裝并熔化原料,要求高的純度和致密度以防污染。
加熱與熱場結構:包括石墨加熱器(發熱體)、保溫筒/罩(隔熱)、導流筒(引導氣流)、坩堝托(承重)等,用于構建精確的溫度梯度和熱場環境。
2、外延與薄膜沉積(CVD/MOCVD)承載件
在硅外延、GaN(LED/射頻)、SiC外延等工藝中:
石墨基座(托盤/盤):用于承載晶圓(Wafer)進行旋轉或靜止加熱。為保證外延層均勻性和避免污染,高d基座通常表面涂覆致密碳化硅(SiC涂層)。常見形狀有煎餅式、桶式及行星式(用于LED MOCVD)。
反應室內部件:如襯里、導流板等,需耐受反應氣體腐蝕。
3、離子注入機部件
離子注入是將硼、磷等雜質離子加速轟擊晶圓以改變電學性能的關鍵工序:
高純石墨部件:用于制造飛行管(引導離子束路徑)、各種狹縫、電極、電極罩、導管、束終止器、屏蔽罩等。石墨的低原子序數使其抗離子轟擊能力強,且不易產生金屬污染。
4、等離子蝕刻(刻蝕)設備部件
在晶圓上進行微細圖形轉移時,反應室部件會暴露于高能離子轟擊和強腐蝕性氣體中:
石墨電極與內襯:用作上/下電極、側壁襯里、聚焦環等。石墨在等離子環境下不易受腐蝕,且不會像某些金屬那樣產生有害污染物,保障了刻蝕的精確度和潔凈度。
5、熱處理與擴散工藝部件
晶圓加熱器/載具:用于高溫退火(RTA)、氧化、擴散爐中的晶圓承載盤、推板、晶舟(Boat)等,利用其優異的熱傳導性和熱穩定性保證工藝溫度均勻。
爐管部件:某些高溫爐的內襯或結構件。
6、其他輔助與電子應用
多晶硅生產:西門子法中用于通電加熱硅芯的石墨電極。
電子封裝與散熱:石墨散熱膜/片(常含石墨烯材料)用于芯片或電子設備散熱;石墨模具用于封裝;高純石墨還可用于EDM(電火花加工)電極制作精密模具。
真空鍍膜:電子束蒸發鍍膜(E-gun)用的石墨坩堝。
