半导体材料成长的“关键”支持——石墨制品的应用与发展

半导体材料生长的“要害”支撑——石墨制品的运用与展开
第三代半导体材料，以其高临界击穿电场、高热导率、高电子饱满漂移率以及高电子迁移率等超卓特性，在5G信号站、新能源轿车以及LED照明等多个范畴发挥着至关重要的作用。而石墨制品，作为支撑半导体材料生长的要害要素，其运用与展开也日益遭到人们的关注。
高纯石墨制品在第三代半导体单晶生长设备中发挥着不可或缺的作用，它们常被用作碳化硅（SiC）单晶生长炉的石墨坩埚和石墨加热器，一同也在GaN外延生长的石墨基座以及抗高温烧蚀涂层石墨基座等方面得到广泛运用。
石墨坩埚，作为第三代半导体单晶生长设备中的要害组件，在碳化硅（SiC）单晶生长进程中发挥着至关重要的作用。其安稳性、耐高温功用以及与碳化硅材料的相容性，使得石墨坩埚成为生长炉的志趣选择。此外，在GaN外延生长的石墨基座以及抗高温烧蚀涂层石墨基座的运用中，石墨坩埚相同展示出了其超卓的功用。
（1）SiC长晶用石墨制品
在制备SiC单晶的进程中，PVT法以其老到性和广泛适用性崭露头角，成为现代工业中的干流技术。该方法依赖于感应线圈产生的涡流，然后激起高密度石墨发热体进行高效加热。在操作时，碳化硅粉体被精心填入石墨坩埚底部，而碳化硅籽晶则被精确地粘结在距材料面必定间隔的石墨坩埚盖内侧。随后，整个石墨坩埚被置入石墨发热体中，通过精细调控外部石墨毡的温度，使得碳化硅材料处于高温环境中，而籽晶则相应地保持在低温区域。
在选用PVT法进行SiC单晶的制备进程中，除了需求高纯度的材料以外，还有必要运用可以接受高温且不会污染SiC材料和晶体的其他用品，例如高纯石墨坩埚、碳纤维硬毡以及籽晶托等。由于石墨在超越2200℃的高温环境下简略遭到尘土和杂质的影响，因此在籽晶托盘和坩埚的表面涂改高纯度且细密性超卓的涂层显得尤为重要。
SiC长晶炉中的外延石墨盘
外延工艺，即在单晶衬底上生长一层与衬底晶格摆放共同的单晶材料，既包含同质外延层（如Si/Si），也包含异质外延层（如SiGe/Si或SiC/Si等）。在硅和碳化硅的外延进程中，晶片被置于石墨盘上，而石墨盘的规划则有多种，如桶式、煎饼式以及单晶片石墨盘等。
蓝绿光LED芯片外延工艺专用托盘
在蓝绿光LED芯片的制造进程中，外延工艺占有着无足轻重的位置。该工艺需求在单晶衬底上精心生长一层与衬底晶格高度共同的单晶材料，以确保芯片的功用和质量。在这一环节中，外延托盘发挥着至关重要的作用，它不只承载着晶片，仍是外延工艺得以顺利进行的要害要素之一。托盘的规划和原料选择，直接影响到外延层的生长质量和功率。因此，针对蓝绿光LED芯片的制造需求，专业研制团队精心规划了蓝绿光LED芯片外延工艺专用托盘，旨在行进外延层的生长质量，满足高功用芯片的制造需求。
碳化钽涂层石墨盘
在GaN薄膜的外延生长进程中，MOCVD设备反响腔内的承载基座扮演着至关重要的人物。这个基座有必要具有耐高温、均匀的热传导率、超卓的化学安稳性，以及强健的抗热震性。石墨材料刚好能满足这些要求。可是，由于GaN基LED外延生长进程中会运用到氨气，而高温状态下的石墨又极易遭到氨气的腐蚀，导致石墨碎屑掉落并污染GaN薄膜。因此，对MOCVD石墨基座的表面进行涂层处理变得尤为重要。
例如，SiC材料不只具有半导体的超卓功用，还具有超卓的耐腐蚀性和化学安稳性。更重要的是，SiC与石墨的热胀大系数相差无几，这使得SiC成为石墨基座表面涂层的志趣选择之一。
此外，离子注入设备部件也是要害环节。离子注入技术触及将硼、磷、砷等离子的束加速到特定能量后注入晶圆材料表层，然后改动其物质特性。这一工艺对组成离子注入设备的材料提出了严峻的要求，包含高耐热性、导热性，以及较低的离子束腐蚀和杂质含量。高纯石墨凭仗其超卓的功用和纯净度，被广泛运用于离子注入设备的飞行管、狭缝、电极等要害部件中。
（4）等离子蚀刻设备部件
在等离子体蚀刻进程中，等离子体反响室的部件会直接露出于蚀刻气体中，这些气体往往具有腐蚀性，或许导致部件污染。可是，石墨材料在离子轰击或等离子等极限工作环境下表现超卓，不易受腐蚀，因此非常合适用于等离子蚀刻设备的部件，例如石墨电极。
（5）柔性石墨箔
柔性石墨箔以天然胀大石墨为材料，具有优异的半导体运用功用。它可以行进系统和工艺的功率，显着下降能耗，并确保高度可靠性。在半导体出产设备中，这种材料常被用作保温筒、隔热材料、柔性层以及密封材料等要害零部件。
（1）等静压石墨
等静压石墨产品通过冷等静压成型工艺打造，这一工艺赋予了坩埚超卓的安稳性，远胜于其他出产方法。可是，关于SiC单晶所需的大标准石墨制品来说，其表面和内部纯度往往难以抵达均匀标准，然后无法满足运用要求。为应对这一应战，咱们选用共同的高温热化学脉冲提纯技术，对大标准或异型石墨制品进行深度且均匀的提纯，确保产品表面及芯部纯度均合格。
（2）多孔石墨
SiC晶体的生长面对许多难题，包含生长难度大、研制周期长、本钱高级。多孔石墨（PG）的引进为处理这些问题供应了新的思路。近期研讨闪现，在SiC长晶炉中参加多孔石墨板能有用行进晶体生长质量。试验成果证明，多孔石墨在促进传质均匀性、下降相变概率以及优化晶体形状方面发挥着显着作用。
多孔石墨对SiC晶体生长的影响
李荣臻等深化探讨了多孔石墨在SiC晶体生长进程中的作用。研讨发现，运用多孔石墨能有用行进材料区域的温度及其均匀性，然后增大了坩埚内轴向的温差。此外，它还能在必定程度上削弱材料表层的重结晶现象。在生长腔内，多孔石墨显着改进了物质活动的安稳性，行进了生长区域的C/Si比，这有助于下降相变产生的概率。一同，多孔石墨对晶体界面的改进作用也清楚明了。
SiC单晶生长所需的高纯石墨制品
在SiC单晶的生长进程中，所需石墨制品的标准往往较大，这或许导致其表面和内部纯度的不均匀，然后无法满足运用要求。因此，高纯度成为了不可或缺的严峻标准。特别是在半导体职业，对石墨的纯度要求更是高达999%以上。虽然现在的高温提纯法可以去除低沸点的杂质，如钙、硅、铝等，但关于某些难以根除的杂质，例如硼，其生成的碳化硼熔点虽低但沸点极高，因此需求选用更为杂乱的提纯方法，如通入卤素气体进行提纯。
卤素气体法，也被称为物化提纯法，是一种有用的石墨制品提纯技术。该方法触及将待提纯的石墨制品置于真空炉内进行加热，运用炉内的高真空度使杂质抵达饱满蒸汽压，然后主动蒸发。一同，通过引进卤素气体，如氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)、碘(I)等，可以使石墨中的高熔沸点氧化物转变为低熔沸点的卤化物，进一步抵达提纯的目的。通过此法提纯后的炭石墨材料，其纯度可行进至99%以上，乃至更高。
吴忠举等人的试验证明，选用物化提纯法对第三代半导体碳化硅所运用的高纯石墨制品进行提纯，其纯度可安稳抵达9995%～9999%，且能有用去除石墨中的硼（B）和铝（Al）杂质，确保其含量低于设定标准，然后彻底满足第三代半导体碳化硅对高纯石墨制品的苛刻要求。
物化提纯法的提纯反响机理及流程
吕尊华等人提出了一种石墨化提纯工艺，该工艺结合了氯气与氟化物的组合技术。在1850～1900℃的温度范围内，通入氯气以扫除石墨中的部分非碳物质。当温度升至2200℃以上后，再充入氟化物气体进行进一步提纯。通过这一流程，产品的杂质含量可降至50×10-6以下。为满足半导体对石墨制品的苛刻要求，即超低灰分标准，选用高温真空纯化设备及相关技术，进一步将产品的灰分下降至5×10-6以下。
等静压石墨产品，通过冷等静压成型工艺精制而成，以其超卓的安稳性在坩埚制造中崭露头角。这种精品石墨与高新技术和国防顶级技术严密相连。虽然国内已有等静压石墨的出产企业，但与国际先进水平比较，仍存在显着差距。首要表现为国内产品功用较低、标准单一，且大标准高功用等静压石墨制品难以实现大规模量产。此外，与国外比较，国内等静压石墨的出产工艺更为繁琐，主动化水平较低，然后推高了出产本钱。

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