芯片良率的幕后功臣：揭秘半導體車間里的高純石墨

計算機、電源設(shè)備、LED燈、互聯(lián)網(wǎng)、太陽能電池……所有這些設(shè)備都離不開半導體的使用。而由特種石墨材料制成的部件在半導體生產(chǎn)過程的許多環(huán)節(jié)中起著不可或缺的作用。

半導體晶體生長

無論是硅的CZ法、藍寶石的HEM法還是碳化硅單晶生長的PVT法，所有長晶工藝都是在高溫、侵蝕性環(huán)境下運行。因此工業(yè)晶體生長爐的熱區(qū)通常配備耐熱和耐腐蝕石墨部件。

用于硅晶體生長的石墨部件

用于半導體應(yīng)用的硅晶體是通過CZ法或浮區(qū)法在工業(yè)規(guī)模上生產(chǎn)的。雖然浮區(qū)爐中通常不使用或僅使用極少石墨部件，但CZ法嚴重依賴高純度石墨部件及石墨絕緣材料，包括由石墨制成的耐熱且耐腐蝕的坩堝、加熱器、隔熱層及絕緣部件等。

單晶硅的生長過程：特殊的高溫爐首先將凈化后的硅加熱到約1450攝氏度，隨后，一根被稱為“籽晶”的棒材插入裝在石英坩堝中的熔融硅中，籽晶棒與坩堝以相反方向旋轉(zhuǎn)。當籽晶浸入熔融硅中后，持續(xù)旋轉(zhuǎn)的籽晶棒會慢慢從熔液中抽出。由于熔融硅的表面溫度僅略高于硅的熔點，因此熔融硅會附著在籽晶上并固化。在固化過程中，硅會形成與籽晶相同的晶體結(jié)構(gòu)。

熔融硅的穩(wěn)定溫度、旋轉(zhuǎn)速度以及拉桿的上升速度決定了晶體的直徑與長度。其質(zhì)量在很大程度上取決于所使用石墨材料的純度及連續(xù)性。石墨是理想的材料，因為它能輕松承受極端溫度及化學作用。由于其純度極高，因此不會污染熔融硅，從而為生產(chǎn)出高質(zhì)量產(chǎn)品提供了理想條件。

SGL Carbon加熱器

用于碳化硅晶體生長的石墨材料

SiC單晶的生長通常需要在2400攝氏度以上的高溫環(huán)境下，通過某種物理氣相傳輸機制來實現(xiàn)。無論是需要生產(chǎn)SiC粉末作為原料，還是想培育SiC單晶，特種石墨材料都是不可或缺，涉及到的高純石墨制品主要有SiC單晶生長爐石墨坩堝和石墨加熱器等。

硅及碳化硅外延生長

晶圓在用于電子設(shè)備之前，必須經(jīng)過多個加工步驟。其中一個重要工序是硅外延生長，在此過程中晶圓被放置在石墨基座上。石墨基座的性能與質(zhì)量對晶圓外延層的品質(zhì)有著至關(guān)重要的影響。

SGL Carbon感應(yīng)器

LED芯片生產(chǎn)

發(fā)光二極管以各種色彩照亮了我們的日常生活，同時它們還具有高效率與節(jié)能特性。LED發(fā)出的光是在半導體材料中產(chǎn)生的，其性能在很大程度上取決于這些半導體的質(zhì)量。

等靜壓石墨是制造上述復合半導體層的關(guān)鍵材料。這些半導體層是在所謂的外延生長或MOCVD工藝中、在極高溫度下的“高溫區(qū)域”內(nèi)形成的。基材的性能對涂層的質(zhì)量有著重要影響，進而也會影響芯片的良品率。反應(yīng)爐中用于承載晶圓的旋轉(zhuǎn)載體由涂有碳化硅的等靜壓石墨制成。只有這種純度極高且質(zhì)地均勻的石墨晶圓載體才能滿足涂層工藝中的嚴格要求。

多晶硅生產(chǎn)

多晶硅主要通過西門子工藝實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。該工藝屬于化學氣相沉積法：硅棒通過石墨電極被電加熱，并固定在反應(yīng)器內(nèi)。三氯硅烷在高溫下分解，形成超純硅并沉積在加熱過的硅棒上。這一過程中會產(chǎn)生大量四氯化硅作為副產(chǎn)品。這些四氯化硅可以通過專用裝置重新轉(zhuǎn)化為三氯硅烷，再重新用于沉積反應(yīng)中。

SGL Carbon 石墨電極

資料來源：SGL Carbon官網(wǎng)。