半導(dǎo)體制造中的許多工藝是在非常高的溫度和極具腐蝕性的環(huán)境中進(jìn)行的，其制程必須在高溫潔凈無(wú)塵環(huán)境下作業(yè)，高純度石墨具有耐高溫、良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性、化學(xué)性能穩(wěn)定等特性，成為半導(dǎo)體制造中關(guān)鍵的材料。（https://www.ab-sm.com/）
一、石墨的性能及應(yīng)用要求
1、石墨的性能特點(diǎn)
石墨是典型的層狀結(jié)構(gòu)物質(zhì)，碳原子成層排列，每個(gè)碳原子與相鄰的碳原子之間等距相連，每一層中的碳原子按六方形環(huán)裝排列，上下相鄰層的碳六方環(huán)通過(guò)平行網(wǎng)面方向相互位移后再疊置形成層狀結(jié)構(gòu)，位移的方向和距離不同就導(dǎo)致不同的結(jié)構(gòu)。如下圖所示，上下兩層碳原子之間的距離比同一層內(nèi)的碳之間的距離大（層內(nèi)C-C間=0.142nm，層間C-C間距=0.335nm）。
石墨由于其結(jié)構(gòu)而具有以下性質(zhì)：
石墨融點(diǎn)為3850±50℃，沸點(diǎn)為4250℃，即使經(jīng)超高溫電弧灼燒，重量的損失也很小。其熱膨脹系數(shù)很小，強(qiáng)度隨溫度升高而加強(qiáng)，在2000℃時(shí)，石墨強(qiáng)度比提高一倍。
由于石墨中每個(gè)碳原子和其他碳原子之間只形成3個(gè)共價(jià)鍵，每個(gè)碳原子仍保留1個(gè)自由電子來(lái)傳輸電荷，使得石墨具有導(dǎo)電性，石墨的導(dǎo)電性一般比非金屬礦高一百倍。導(dǎo)熱性超過(guò)鋼、鐵、鉛等金屬材料。導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而降低，甚至在極高的溫度下，石墨成絕熱體。
石墨的潤(rùn)滑性能取決于石墨鱗片的大小，鱗片越大，摩擦系數(shù)越小，潤(rùn)滑性能越好。
石墨在常溫下有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，能耐酸、耐堿和耐有機(jī)溶劑的腐蝕。
石墨在常溫下使用時(shí)能經(jīng)受住溫度的劇烈變化而不致破壞，溫度突變時(shí)，石墨的體積變化不大，不會(huì)產(chǎn)生裂紋。
2、半導(dǎo)體高純度要求
高純度是半導(dǎo)體石墨的關(guān)鍵要求，尤其是在晶體生長(zhǎng)的過(guò)程，石墨中的雜質(zhì)更是晶體品質(zhì)優(yōu)劣的關(guān)鍵決定因素，雜質(zhì)含量應(yīng)保持在百萬(wàn)分之五以下。
3、高純石墨的生產(chǎn)流程
高純石墨純度要求高，制備成本較高，制備周期較長(zhǎng)，生產(chǎn)工序主要包括原料破碎、煅燒、磨粉、配料、混合、軋輥、磨粉、雙面壓/等靜壓、焙燒、浸漬、石墨化、機(jī)加工、檢驗(yàn)等，其中需要多次焙燒和浸漬。
二、石墨的半導(dǎo)體應(yīng)用案例
高純石墨部件廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體晶體生長(zhǎng)、外延、離子注入、等離子蝕刻等制造工藝中。
1、晶體生長(zhǎng)爐熱場(chǎng)
用于生長(zhǎng)半導(dǎo)體晶體的所有工藝都在高溫、侵蝕性環(huán)境下運(yùn)行，晶體生長(zhǎng)爐的熱區(qū)通常配備耐熱和耐腐蝕的高純度石墨部件，如加熱器、坩堝、石墨保溫筒、導(dǎo)流筒等。
圖 ? CZ直拉單晶爐熱場(chǎng)示意圖，來(lái)源：SGL
圖 CZ晶體生長(zhǎng)爐高純石墨加熱器，來(lái)源：SGL
2、外延石墨盤
外延工藝是指在單晶襯底上生長(zhǎng)一層跟襯底具有相同晶格排列的單晶材料，外延層可以是同質(zhì)外延層(Si/Si)，也可以是異質(zhì)外延層 (SiGe/Si 或 SiC/Si 等)。在硅和碳化硅的外延工藝中，晶片承載在石墨盤上，有桶式、煎餅式和單晶片石墨盤。石墨盤的性能和質(zhì)量對(duì)晶片的外延層的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。
圖 ?外延設(shè)備的碳化硅涂層石墨盤，來(lái)源：SGL
石墨盤一般經(jīng)過(guò)碳化硅涂層，碳化硅涂層是一種具有致密、耐磨損、高耐腐蝕性和耐熱性以及卓越的導(dǎo)熱性的涂層，碳化硅涂層與石墨部件緊密結(jié)合，延長(zhǎng)了石墨部件的使用壽命，并實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)半導(dǎo)體材料所需的高純度表面結(jié)構(gòu)。
3、離子注入設(shè)備部件
離子注入是指將硼、磷、砷等離子束加速到一定能量，然后注入晶圓材料的表層內(nèi)，以改變材料表層物質(zhì)特性的工藝。
組成離子注入裝置部件的材料要求具有出優(yōu)異耐熱性、導(dǎo)熱性、由離子束引起的腐蝕較少且雜質(zhì)含量低的高純材料。高純石墨滿足應(yīng)用要求，可用于離子注入設(shè)備的飛行管、各種狹縫、電極、電極罩、導(dǎo)管、束終止器等。
4、等離子蝕刻設(shè)備部件
在等離子體蝕刻處理過(guò)程中，等離子體反應(yīng)室的部件表面會(huì)暴露在等離子體蝕刻氣體中，被腐蝕，造成污染。而石墨在離子轟擊或等離子等極限工作條件下，不易受腐蝕，可用于等離子蝕刻設(shè)備部件，如石墨電極。
5、柔性石墨箔
柔性石墨箔由天然膨脹石墨制成，在半導(dǎo)體應(yīng)用上可提高系統(tǒng)和工藝的性能，最大限度的降低能耗并保證可靠性。可用于半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備中的保溫筒、隔熱材料、柔性層、密封材料等各種零部件。
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