芯片良率的幕后功臣：揭秘半导体车间里的高纯石墨

计算机、电源设备、LED灯、互联网、太阳能电池……所有这些设备都离不开半导体的使用。而由特种石墨材料制成的部件在半导体生产过程的许多环节中起着不可或缺的作用。

半导体晶体生长

无论是硅的CZ法、蓝宝石的HEM法还是碳化硅单晶生长的PVT法，所有长晶工艺都是在高温、侵蚀性环境下运行。因此工业晶体生长炉的热区通常配备耐热和耐腐蚀石墨部件。

用于硅晶体生长的石墨部件

用于半导体应用的硅晶体是通过CZ法或浮区法在工业规模上生产的。虽然浮区炉中通常不使用或仅使用极少石墨部件，但CZ法严重依赖高纯度石墨部件及石墨绝缘材料，包括由石墨制成的耐热且耐腐蚀的坩埚、加热器、隔热层及绝缘部件等。

单晶硅的生长过程：特殊的高温炉首先将净化后的硅加热到约1450摄氏度，随后，一根被称为“籽晶”的棒材插入装在石英坩埚中的熔融硅中，籽晶棒与坩埚以相反方向旋转。当籽晶浸入熔融硅中后，持续旋转的籽晶棒会慢慢从熔液中抽出。由于熔融硅的表面温度仅略高于硅的熔点，因此熔融硅会附着在籽晶上并固化。在固化过程中，硅会形成与籽晶相同的晶体结构。

熔融硅的稳定温度、旋转速度以及拉杆的上升速度决定了晶体的直径与长度。其质量在很大程度上取决于所使用石墨材料的纯度及连续性。石墨是理想的材料，因为它能轻松承受极端温度及化学作用。由于其纯度极高，因此不会污染熔融硅，从而为生产出高质量产品提供了理想条件。

SGL Carbon加热器

用于碳化硅晶体生长的石墨材料

SiC单晶的生长通常需要在2400摄氏度以上的高温环境下，通过某种物理气相传输机制来实现。无论是需要生产SiC粉末作为原料，还是想培育SiC单晶，特种石墨材料都是不可或缺，涉及到的高纯石墨制品主要有SiC单晶生长炉石墨坩埚和石墨加热器等。

硅及碳化硅外延生长

晶圆在用于电子设备之前，必须经过多个加工步骤。其中一个重要工序是硅外延生长，在此过程中晶圆被放置在石墨基座上。石墨基座的性能与质量对晶圆外延层的品质有着至关重要的影响。

SGL Carbon感应器

LED芯片生产

发光二极管以各种色彩照亮了我们的日常生活，同时它们还具有高效率与节能特性。LED发出的光是在半导体材料中产生的，其性能在很大程度上取决于这些半导体的质量。

等静压石墨是制造上述复合半导体层的关键材料。这些半导体层是在所谓的外延生长或MOCVD工艺中、在极高温度下的“高温区域”内形成的。基材的性能对涂层的质量有着重要影响，进而也会影响芯片的良品率。反应炉中用于承载晶圆的旋转载体由涂有碳化硅的等静压石墨制成。只有这种纯度极高且质地均匀的石墨晶圆载体才能满足涂层工艺中的严格要求。

多晶硅生产

多晶硅主要通过西门子工艺实现工业化生产。该工艺属于化学气相沉积法：硅棒通过石墨电极被电加热，并固定在反应器内。三氯硅烷在高温下分解，形成超纯硅并沉积在加热过的硅棒上。这一过程中会产生大量四氯化硅作为副产品。这些四氯化硅可以通过专用装置重新转化为三氯硅烷，再重新用于沉积反应中。

SGL Carbon 石墨电极

资料来源：SGL Carbon官网。