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高含量石墨在半导体制造中的应用

时间:2023-07-24 13:02:08 点击:392次

半导体制造中的许多工艺都是在极高的水温和极具腐蚀性的环境中进行的,因为该工艺必须在低温下清洁无尘的环境中进行。 高含量石墨具有耐低温、导电导热性能好、化学性能稳定等特点。 它已成为半导体制造的关键材料。 ()

一、石墨的性能及应用要求 1、石墨的性能特点

石墨是一种典型的层状结构物质。 碳原子呈层状排列。 每个碳原子与相邻碳原子等距连接。 每层碳原子排列成六个圆环。 上下相邻层的碳六边形环在平行的网格平面方向上相互错开,然后堆叠形成层状结构。 不同的位移方向和距离会导致不同的结构。 如右图所示,上下层碳原子间距大于同层碳原子间距(层内CC=0.,层间CC宽度=0.)。

图石墨结构

由于其结构,石墨具有以下特性:

1)、耐低温

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石墨的熔点为3850±50℃,沸点为4250℃。 虽然是超低温电弧燃烧,但重量损失很小。 其热膨胀系数很小,硬度随温度的降低而增加。 在2000℃时,石墨的硬度比增加一倍。

2)、导电性、导热性

由于石墨中每个碳原子与其他碳原子之间只有3个共价键,每个碳原子仍保留1个自由电子来传输电荷,这使得石墨具有导电性。 石墨的电导率通​​常比非金属矿物高100倍。 导热系数超过钢、铁、铅等金属材料。 导热系数随着空气温度的下降而降低,即使在极高的湿度下,石墨也可以充当热绝缘体。

3) 润滑性

石墨的润滑性能取决于石墨鳞片的大小,鳞片越大,摩擦系数越小,润滑性能越好。

4)、化学稳定性

石墨在常温下具有良好的物理稳定性,耐酸、碱和有机溶剂。

5)、可塑性

石墨具有良好的硬度,可以磨成很薄的薄片。

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6)、耐热震性

当石墨在室温下使用时,它可以承受湿度的剧烈变化而不会损坏。 当温度突然变化时,石墨的体积不会发生太大变化,不会形成裂纹。

2、半导体含量要求高

高含量是半导体石墨的关键要求,特别是在晶体生长过程中。 石墨中的杂质是决定晶体质量的关键因素。 杂质浓度应保持在百万分之五以下。

3、高纯石墨的生产

高纯石墨含量高,制备成本高,制备周期长。 生产工艺主要包括原料破碎、煅烧、研磨、配料、混合、滚压、研磨、双面压制/等静压、焙烧、浸渍、石墨化、机械加工、检验等,其中需要多次煅烧和浸渍。

图高纯石墨生产流程

2、石墨的半导体应用案例

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高纯石墨组件广泛应用于半导体晶体生长、外延、离子注入、等离子刻蚀等制造工艺。

1、长晶炉热场

用于生长半导体晶体的所有工艺都在低温、腐蚀性环境中进行。 长晶炉热区一般装有耐热、耐腐蚀的高含量石墨部件,如加热器、坩埚、石墨保温筒、导向筒等。

图CZ直拉单晶硅炉热场示意图

图CZ晶体生长炉高纯石墨加热器,来源:SGL西格里

2.外延石墨盘

外延工艺是指在单晶硅衬底上生长一层与衬底晶格排列相同的单晶硅材料。 外延层可以是同质外延层(Si/Si)或异质外延层(SiGe/Si或SiC/Si等)。 在硅、氧化铝的外延过程中,硅片承载在石墨盘上,有桶式、饼式和单晶硅片石墨盘。 石墨盘的性能和质量对晶圆外延层的质量起着至关重要的作用。