現(xiàn)代半導(dǎo)體工業(yè)對材料的要求極為嚴(yán)苛：需耐受超高溫環(huán)境(>1500℃)、具備高純度以避免污染、擁有優(yōu)異的導(dǎo)熱與導(dǎo)電性能，同時還需抵抗腐蝕性氣體與熱應(yīng)力沖擊。傳統(tǒng)材料如石英、陶瓷或金屬鉬/鎢雖各有優(yōu)勢，但難以全面滿足需求。而石墨憑借其物理化學(xué)性質(zhì)，成為半導(dǎo)體制造中不可替代的關(guān)鍵材料，尤其在高溫工藝、晶體生長和精密加工環(huán)節(jié)發(fā)揮重要作用。
半導(dǎo)體石墨的核心特性
1. 超高熔點(diǎn)與耐高溫性
石墨的熔點(diǎn)高達(dá)3652℃，升華溫度>3900℃，在惰性氣氛中可長期承受3000℃以上高溫，遠(yuǎn)超硅(1414℃)、碳化硅(2700℃)等半導(dǎo)體材料的熔點(diǎn)，適配高溫工藝需求。
2. 導(dǎo)熱性與各向異性
石墨的平面內(nèi)熱導(dǎo)率達(dá)2000 W/(m·K)，且具有層狀結(jié)構(gòu)特性，可定向傳導(dǎo)熱量，顯著提升溫度均勻性。
3. 低熱膨脹系數(shù)
沿c軸方向熱膨脹系數(shù)僅0.5×10??/K，與硅(2.6×10??/K)匹配度高，減少熱應(yīng)力對晶圓的影響。
4. 化學(xué)惰性與抗腐蝕性
在氫氣、氬氣等還原性氣氛中穩(wěn)定性很強(qiáng)，不與硅熔體或蝕刻氣體發(fā)生反應(yīng)。
5. 高純度與可加工性
高純石墨(純度>99.99%)雜質(zhì)含量極低，且可通過機(jī)械加工制成復(fù)雜形狀，適應(yīng)定制化需求。
核心應(yīng)用領(lǐng)域與技術(shù)優(yōu)勢
1. 晶體生長：硅錠與碳化硅晶圓的“搖籃”
- 直拉法(CZ法)硅錠生長
石墨坩堝(內(nèi)襯高純石墨)直接接觸高溫硅熔體(約1420℃)，其高純度避免金屬污染，低熱膨脹系數(shù)減少晶格缺陷。例如，太陽能級硅錠生產(chǎn)中，石墨坩堝的壽命直接影響單晶硅的光電轉(zhuǎn)換效率。
- 碳化硅(SiC)外延生長
SiC物理氣相沉積(PVT)法需2500℃以上的高溫環(huán)境，鉭或石墨坩堝是選擇。石墨的耐超高溫性和抗碳化硅侵蝕性，使其成為SiC晶圓制造的核心耗材。
2. 化學(xué)氣相沉積(CVD)與外延工藝
- 硅基外延與GaN外延
石墨基座用于承載硅或藍(lán)寶石襯底，其高導(dǎo)熱性確保外延層溫度均勻，減少應(yīng)力堆積。例如，LED外延生長中，石墨盤的平整度直接影響Wafer的厚度一致性。
- 石墨烯制備
CVD法生長石墨烯時，銅箔催化劑需附著在石墨托盤上，后者在1000℃下為碳源裂解提供均勻熱場。
3. 高溫擴(kuò)散與氧化工藝
- 硼/磷擴(kuò)散爐
石墨擴(kuò)散爐管在800-1200℃下輸送載氣，其耐腐蝕性和尺寸穩(wěn)定性保障摻雜均勻性。
- 硅片氧化
干氧氧化(>1000℃)過程中，石墨夾具避免金屬污染，確保二氧化硅層質(zhì)量。
4. 光伏與半導(dǎo)體熱處理設(shè)備
- 燒結(jié)爐與退火爐
石墨加熱器(如石墨氈、石墨管)作為電阻發(fā)熱體，在氫氣氛圍中可快速升溫至1500℃，用于硅片燒結(jié)或離子注入后退火。其優(yōu)勢在于：
- 高電熱轉(zhuǎn)換效率(>90%)，能耗低于鉬/鎢；
- 非感應(yīng)性發(fā)熱，避免電磁干擾；
- 長壽命(可循環(huán)使用數(shù)千次)。
5. 蝕刻與清洗工藝
- 氟化氣體防護(hù)
石墨擋板或保護(hù)罩用于隔離蝕刻區(qū)域，耐受CF?、SF?等活性氣體腐蝕，防止設(shè)備損傷。
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