半導(dǎo)體資料成長的“要害”支撐——石墨制品的運(yùn)用與開展
第三代半導(dǎo)體資料，以其高臨界擊穿電場、高熱導(dǎo)率、高電子飽和漂移率以及高電子遷移率等卓越特性，在5G信號站、新能源轎車以及LED照明等多個(gè)范疇發(fā)揮著至關(guān)重要的效果。而石墨制品，作為支撐半導(dǎo)體資料成長的要害因素，其運(yùn)用與開展也日益受到人們的關(guān)注。
高純石墨制品在第三代半導(dǎo)體單晶成長設(shè)備中發(fā)揮著不可或缺的效果，它們常被用作碳化硅（SiC）單晶成長爐的石墨坩堝和石墨加熱器，一起也在GaN外延成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)體單晶成長設(shè)備中的要害組件，在碳化硅（SiC）單晶成長進(jìn)程中發(fā)揮著至關(guān)重要的效果。其安穩(wěn)性、耐高溫功能以及與碳化硅資料的相容性，使得石墨坩堝成為成長爐的理想挑選。此外，在GaN外延成長的石墨基座以及抗高溫?zé)g涂層石墨基座的運(yùn)用中，石墨坩堝同樣展示出了其卓越的功能。
（1）SiC長晶用石墨制品
在制備SiC單晶的進(jìn)程中，PVT法以其老練性和廣泛適用性鋒芒畢露，成為現(xiàn)代工業(yè)中的干流技能。該辦法依賴于感應(yīng)線圈產(chǎn)生的渦流，然后激發(fā)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)在距質(zhì)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，通過精密調(diào)控外部石墨氈的溫度，使得碳化硅質(zhì)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，除了需求高純度的質(zhì)料以外，還有必要運(yùn)用可以承受高溫且不會污染SiC質(zhì)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。由于石墨在超過2200℃的高溫環(huán)境下容易受到塵埃和雜質(zhì)的影響，因而在籽晶托盤和坩堝的外表涂抹高純度且細(xì)密性良好的涂層顯得尤為重要。
SiC長晶爐中的外延石墨盤
外延工藝，即在單晶襯底上成長一層與襯底晶格排列一致的單晶資料，既包括同質(zhì)外延層（如Si/Si），也包括異質(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芯片的制作進(jìn)程中，外延工藝占有著舉足輕重的地位。該工藝需求在單晶襯底上精心成長一層與襯底晶格高度一致的單晶資料，以保證芯片的功能和質(zhì)量。在這一環(huán)節(jié)中，外延托盤發(fā)揮著至關(guān)重要的效果，它不只承載著晶片，還是外延工藝得以順利進(jìn)行的要害因素之一。托盤的規(guī)劃和材質(zhì)挑選，直接影響到外延層的成長質(zhì)量和功率。因而，針對藍(lán)綠光LED芯片的制作需求，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，旨在提高外延層的成長質(zhì)量，滿意高功能芯片的制作需求。
碳化鉭涂層石墨盤
在GaN薄膜的外延成長進(jìn)程中，MOCVD設(shè)備反響腔內(nèi)的承載基座扮演著至關(guān)重要的角色。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)壯的抗熱震性。石墨資料剛好能滿意這些要求。但是，由于GaN基LED外延成長進(jìn)程中會運(yùn)用到氨氣，而高溫狀態(tài)下的石墨又極易受到氨氣的腐蝕，導(dǎo)致石墨碎屑脫落并污染GaN薄膜。因而，對MOCVD石墨基座的外表進(jìn)行涂層處理變得尤為重要。
例如，SiC資料不只具有半導(dǎo)體的卓越功能，還具有超卓的耐腐蝕性和化學(xué)安穩(wěn)性。更重要的是，SiC與石墨的熱膨脹系數(shù)相差無幾，這使得SiC成為石墨基座外表涂層的理想挑選之一。
此外，離子注入設(shè)備部件也是要害環(huán)節(jié)。離子注入技能涉及將硼、磷、砷等離子的束加速到特定能量后注入晶圓資料表層，然后改動其物質(zhì)特性。這一工藝對組成離子注入設(shè)備的資料提出了嚴(yán)厲的要求，包括高耐熱性、導(dǎo)熱性，以及較低的離子束腐蝕和雜質(zhì)含量。高純石墨憑仗其卓越的功能和純凈度，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直接露出于蝕刻氣體中，這些氣體往往具有腐蝕性，可能導(dǎo)致部件污染。但是，石墨資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，因而十分適合用于等離子蝕刻設(shè)備的部件，例如石墨電極。
（5）柔性石墨箔
柔性石墨箔以天然膨脹石墨為質(zhì)料，具有優(yōu)異的半導(dǎo)體運(yùn)用功能。它可以提高體系和工藝的功率，明顯下降能耗，并保證高度可靠性。在半導(dǎo)體出產(chǎn)設(shè)備中，這種資料常被用作保溫筒、隔熱資料、柔性層以及密封資料等要害零部件。
（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卓越的安穩(wěn)性，遠(yuǎn)勝于其他出產(chǎn)辦法。但是，關(guān)于SiC單晶所需的大尺度石墨制品來說，其外表和內(nèi)部純度往往難以到達(dá)均勻規(guī)范，然后無法滿意運(yùn)用要求。為應(yīng)對這一應(yīng)戰(zhàn)，咱們選用獨(dú)特的高溫?zé)峄瘜W(xué)脈沖提純技能，對大尺度或異型石墨制品進(jìn)行深度且均勻的提純，保證產(chǎn)品外表及芯部純度均合格。
（2）多孔石墨
SiC晶體的成長面對許多難題，包括成長難度大、研制周期長、成本高級。多孔石墨（PG）的引進(jìn)為處理這些問題供給了新的思路。近期研究顯現(xiàn)，在SiC長晶爐中加入多孔石墨板能有用提高晶體成長質(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)揮著明顯效果。
多孔石墨對SiC晶體成長的影響
李榮臻等深化探討了多孔石墨在SiC晶體成長進(jìn)程中的效果。研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用多孔石墨能有用提高質(zhì)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質(zhì)料表層的重結(jié)晶現(xiàn)象。在成長腔內(nèi)，多孔石墨明顯改善了物質(zhì)流動的安穩(wěn)性，提高了成長區(qū)域的C/Si比，這有助于下降相變產(chǎn)生的概率。一起，多孔石墨對晶體界面的改善效果也顯而易見。
SiC單晶成長所需的高純石墨制品
在SiC單晶的成長進(jìn)程中，所需石墨制品的尺度往往較大，這可能導(dǎo)致其外表和內(nèi)部純度的不均勻，然后無法滿意運(yùn)用要求。因而，高純度成為了不可或缺的嚴(yán)厲規(guī)范。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)于某些難以鏟除的雜質(zhì)，例如硼，其生成的碳化硼熔點(diǎn)雖低但沸點(diǎn)極高，因而需求選用更為雜亂的提純辦法，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能。該辦法涉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)到達(dá)飽和蒸汽壓，然后主動揮發(fā)。一起，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)一步到達(dá)提純的意圖。通過此法提純后的炭石墨資料，其純度可提高至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)到達(dá)9995%～9999%，且能有用去除石墨中的硼（B）和鋁（Al）雜質(zhì)，保證其含量低于設(shè)定規(guī)范，然后完全滿意第三代半導(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能。在1850～1900℃的溫度范圍內(nèi)，通入氯氣以排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。為滿意半導(dǎo)體對石墨制品的苛刻要求，即超低灰分規(guī)范，選用高溫真空純化設(shè)備及相關(guān)技能，進(jìn)一步將產(chǎn)品的灰分下降至5×10-6以下。
現(xiàn)在，多家企業(yè)和高校，如中鋼集團(tuán)新型資料（浙江）有限公司、羅蘭先進(jìn)石墨（昆山）有限公司、湖南頂立科技有限公司、上海東洋炭素有限公司、深圳市貝特瑞新能源資料股份有限公司以及哈爾濱理工大學(xué)等，都在鹵素氣體法方面進(jìn)行了深化的研究和運(yùn)用，推動了半導(dǎo)體用高純石墨的進(jìn)一步開展。
等靜壓石墨產(chǎn)品，通過冷等靜壓成型工藝精制而成，以其卓越的安穩(wěn)性在坩堝制作中鋒芒畢露。這種精品石墨與高新技能和國防尖端技能緊密相連。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，仍存在明顯差距。首要表現(xiàn)為國內(nèi)產(chǎn)品功能較低、標(biāo)準(zhǔn)單一，且大尺度高功能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，主動化水平較低，從而推高了出產(chǎn)成本。