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、電源設備、LED燈、互聯網、太陽能電池……所有這些設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。當籽晶浸入熔融硅中后，持續(xù)旋轉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構。

熔融硅的穩(wěn)定溫度、旋轉速度以及拉桿的上升速度決定了晶體的直徑與長度。其質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，從而為生產出高質量產品提供了理想條件。

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。無論是需要生產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

晶圓在用于電子設備之前，必須經過多個加工步驟。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量對晶圓外延層的品質有著至關重要的影響。

SGL Carbon感應器

LED芯片生產

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生的，其性能在很大程度上取決于這些半導體的質量。

等靜壓石墨是制造上述復合半導體層的關鍵材料。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”內形成的。基材的性能對涂層的質量有著重要影響，進而也會影響芯片的良品率。反應爐中用于承載晶圓的旋轉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

多晶硅主要通過西門子工藝實現工業(yè)化生產。該工藝屬于化學氣相沉積法：硅棒通過石墨電極被電加熱，并固定在反應器內。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。這一過程中會產生大量四氯化硅作為副產品。這些四氯化硅可以通過專用裝置重新轉化為三氯硅烷，再重新用于沉積反應中。

SGL Carbon 石墨電極

資料來源：SGL Carbon官網。