做半導(dǎo)體的都清楚，單晶硅拉制爐里頭溫度動(dòng)輒1600℃往上走，熱場(chǎng)部件天天在這種極端環(huán)境下干活，普通石墨根本扛不住。要么開(kāi)裂，要么變形，要么掉渣污染硅液。你說(shuō)換材料？金屬的熱膨脹系數(shù)太大，陶瓷又脆得不行。所以行業(yè)里繞來(lái)繞去，最后還是得靠等靜壓石墨來(lái)?yè)螆?chǎng)子。這東西上世紀(jì)60年代就有了，但真正在半導(dǎo)體行業(yè)站穩(wěn)腳跟，靠的就是兩個(gè)字：耐造。
為啥偏偏是等靜壓石墨？把原理掰開(kāi)了說(shuō)
普通石墨是擠壓成型的，分子排列有方向性，橫著豎著性能不一樣，這叫各向異性。但耐高溫石墨用等靜壓工藝做出來(lái)就不一樣了。冷等靜壓成型的時(shí)候，壓力從四面八方均勻壓過(guò)來(lái)，粉末顆粒不管朝哪個(gè)方向都被壓得一樣實(shí)。結(jié)果就是各個(gè)方向的性能基本一致，不會(huì)出現(xiàn)局部過(guò)熱或者應(yīng)力集中的問(wèn)題。再說(shuō)溫度這塊，等靜壓石墨的熔點(diǎn)能到3800℃以上，在1600℃的工作環(huán)境下，熱膨脹系數(shù)特別低，急冷急熱都不容易裂。而且雜質(zhì)含量能控制在百萬(wàn)分之五以下，不會(huì)往硅液里跑金屬離子，這對(duì)高端芯片來(lái)說(shuō)是剛需。導(dǎo)熱系數(shù)能到800W/m·K以上，熱量傳得快又均勻，晶體生長(zhǎng)的質(zhì)量自然就上去了。
跟普通石墨比，工藝差距在哪？
很多人覺(jué)得石墨都差不多，其實(shí)差別大了。擠壓成型的石墨，密度不均勻，表面粗糙，只能做電極、坩堝這些粗活。模壓成型的稍好一些，但各向異性的問(wèn)題解決不了，做熱場(chǎng)部件容易出問(wèn)題。等靜壓成型就不一樣了，先把石油焦磨到20微米以下的細(xì)粉，跟煤瀝青混捏，然后放進(jìn)橡膠模具里，抽真空后放進(jìn)高壓容器，用100到200兆帕的壓力從各個(gè)方向壓實(shí)。這個(gè)過(guò)程叫冷等靜壓，出來(lái)的坯體密度均勻、結(jié)構(gòu)致密。后面還要經(jīng)過(guò)焙燒、浸漬、石墨化，整個(gè)周期長(zhǎng)達(dá)兩三個(gè)月。焙燒的時(shí)候升溫速度不能超過(guò)1℃/h，爐內(nèi)溫差要控制在20℃以內(nèi)，不然坯體就裂了。浸漬要反復(fù)做兩到四次，每次浸完都得焙燒，就是為了把開(kāi)口氣孔堵上，提高密度和強(qiáng)度。
實(shí)際用起來(lái)什么表現(xiàn)？關(guān)鍵參數(shù)擺出來(lái)
在半導(dǎo)體單晶直拉爐里，等靜壓石墨主要做坩堝、加熱器、導(dǎo)流筒、保溫罩這些部件?，F(xiàn)在300毫米晶片是主流，加熱區(qū)直徑做到800毫米，石墨坩堝直徑860毫米，加熱器直徑960到1000毫米，有些部件直徑甚至到1500毫米。這么大的尺寸，對(duì)材料的均勻性和強(qiáng)度要求非常高。河南六工石墨有限公司也布局了此類石墨相關(guān)制品。從性能參數(shù)看，等靜壓石墨體積密度能做到1.7到1.9g/cm3，抗折強(qiáng)度30到50MPa，電阻率8到15μΩ·m，灰分小于50ppm。這些數(shù)字意味著什么？密度高說(shuō)明氣孔少，不容易滲硅液；強(qiáng)度高說(shuō)明能扛住熱應(yīng)力，不容易碎裂；電阻率低說(shuō)明導(dǎo)電性好，加熱效率高。做太陽(yáng)能多晶硅也一樣，鑄錠爐的加熱器基本都用等靜壓石墨。核工業(yè)那邊，高溫氣冷堆里石墨當(dāng)反射劑、慢化劑用，要求石墨化度高、各向同性好，等靜壓石墨也是主力材料。
說(shuō)點(diǎn)實(shí)在的，選型時(shí)候注意啥
等靜壓石墨不是萬(wàn)能的。成本比普通石墨高不少，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，大尺寸部件的一致性控制有難度。選型的時(shí)候重點(diǎn)看三樣：純度夠不夠，半導(dǎo)體用的雜質(zhì)得控制在百萬(wàn)分之五以下；密度均勻不均勻，直接影響使用壽命；抗熱震性能行不行，畢竟天天急冷急熱。還有一點(diǎn)容易忽略，就是加工性能。等靜壓石墨雖然硬，但能精密加工成各種復(fù)雜形狀，這也是它在熱場(chǎng)部件里不可替代的原因之一。做這行的都知道，材料選對(duì)了，后面的事就順了。等靜壓石墨在半導(dǎo)體熱場(chǎng)里的地位，短期內(nèi)還真沒(méi)別的材料能替代。
]]>做石墨模具的老師傅肯定碰到過(guò)這種情況：模具用著用著，某個(gè)角先裂了，或者加熱面中間鼓包、邊上塌陷。說(shuō)白了，就是材料內(nèi)部密度不均勻鬧的。傳統(tǒng)模壓石墨是單方向或者雙方向加壓，粉料跟鋼模之間摩擦力大，壓力傳著傳著就衰減了，越往里密度越低，有時(shí)候同一塊坯子密度能差出百分之十以上。這種東西拿去做模具，尤其是大尺寸、形狀復(fù)雜的模具，開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)非常高。你花大價(jià)錢(qián)開(kāi)了模，結(jié)果良品率上不去，這才是真正燒錢(qián)的地方。所以現(xiàn)在越來(lái)越多做高端模具的廠子開(kāi)始轉(zhuǎn)向等靜壓石墨，核心原因就一個(gè)字：勻。
各向同性到底是個(gè)啥，跟模具有啥關(guān)系
先把概念說(shuō)清楚。所謂各向同性，就是不管你從哪個(gè)方向切一塊材料去測(cè)，它的密度、強(qiáng)度、熱膨脹系數(shù)這些指標(biāo)基本一樣，各向同性度能控制在1.0到1.1之間。等靜壓成型的原理是把粉料裝進(jìn)彈性模具里，封口之后扔進(jìn)高壓容器，用液體介質(zhì)從四面八方同時(shí)加壓，壓力在各個(gè)方向上完全相等。這樣粉料顆粒之間沒(méi)有單方向受力造成的排列差異，出來(lái)的坯體就是均勻的。對(duì)模具制造來(lái)說(shuō)，這意味著什么？意味著你做一個(gè)大尺寸的熱彎玻璃模具，從中心到邊緣的硬度、導(dǎo)熱性、膨脹系數(shù)都是一致的，加熱的時(shí)候不會(huì)這邊膨脹快那邊膨脹慢，模具不變形，產(chǎn)品自然就穩(wěn)定。而且等靜壓石墨的抗彎強(qiáng)度能到80兆帕以上，抗壓強(qiáng)度200到260兆帕，熱膨脹系數(shù)低于2.0乘以10的負(fù)6次方每攝氏度，急冷急熱都不容易炸裂，這些指標(biāo)對(duì)反復(fù)受熱的模具來(lái)說(shuō)太關(guān)鍵了。
跟模壓工藝比一比，差距一眼就能看出來(lái)
很多人問(wèn)，模壓石墨也能用，為啥非要上等靜壓？我給你算筆賬。模壓成型因?yàn)槟Σ亮Φ膯?wèn)題，坯體密度分布不均勻，這個(gè)密度梯度有時(shí)候能超過(guò)百分之十。等靜壓呢？密度下降梯度一般只有百分之一以下，基本可以認(rèn)為整個(gè)坯體是均質(zhì)的。還有一點(diǎn)，模壓做大規(guī)格細(xì)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品幾乎不可能，因?yàn)槊芏炔痪鶎?dǎo)致開(kāi)裂概率太高。等靜壓就不一樣了，內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻，各部分體積密度、電阻率、強(qiáng)度相差不大，可以看成均質(zhì)材料，大規(guī)格細(xì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)品也能做。另外等靜壓成型一般不用在粉料里加潤(rùn)滑劑，減少了污染，工序也簡(jiǎn)單。當(dāng)然等靜壓也有短板，工藝效率比模壓低，設(shè)備投入大，初期成本高。但如果你做的是高精度、高可靠性要求的模具，這筆賬算下來(lái)反而是劃算的。河南六工石墨有限公司也布局了此類石墨相關(guān)制品。
落到模具上，各向同性到底解決了哪些實(shí)際問(wèn)題
拿3D熱彎玻璃模具來(lái)說(shuō)，這幾年曲面屏需求暴增，模具材料要求極高。石墨模具需要跟玻璃的熱膨脹系數(shù)接近，導(dǎo)熱要快且均勻，還要耐磨、抗腐蝕、自潤(rùn)滑。等靜壓石墨的線膨脹系數(shù)跟玻璃比較接近，熱傳導(dǎo)穩(wěn)定，加工出來(lái)的模具型腔精度高，反復(fù)使用不容易變形。再比如連鑄結(jié)晶器，等靜壓石墨做的結(jié)晶器壁厚均勻，導(dǎo)熱一致，鋼水凝固面平整，拉坯速度和質(zhì)量都能提上去。還有EDM電火花加工用的電極，各向同性意味著放電均勻，加工精度高，電極損耗小，省下來(lái)的都是真金白銀。半導(dǎo)體行業(yè)的單晶爐熱場(chǎng)部件，坩堝、加熱器、保溫筒這些，對(duì)材料純度和均勻性要求極苛，等靜壓石墨灰分能控制到50ppm以下，各向同性保證了長(zhǎng)時(shí)間高溫運(yùn)行下不會(huì)局部失效。說(shuō)穿了，各向同性這個(gè)特性讓模具在任何方向上的表現(xiàn)都一樣，不存在薄弱方向，這對(duì)高強(qiáng)度使用場(chǎng)景來(lái)說(shuō)就是核心競(jìng)爭(zhēng)力。
選材料這事，適合自己的才是對(duì)的
等靜壓石墨不是萬(wàn)能的，如果你做的是普通石墨電極、電機(jī)電刷這類產(chǎn)品，各向異性反而是需要的，模壓石墨完全夠用，沒(méi)必要花冤枉錢(qián)。但如果你做的是高端模具、半導(dǎo)體熱場(chǎng)、核工業(yè)部件、精密加工電極這些對(duì)均勻性和可靠性要求高的東西，等靜壓石墨的各向同性特性就是實(shí)實(shí)在在的優(yōu)勢(shì)。選材料這事跟選刀具一樣，得看你切什么料、什么工況。把材料特性吃透了，工藝參數(shù)調(diào)對(duì)了，模具壽命和良品率自然就上去了。
]]>干半導(dǎo)體熱場(chǎng)這行的老師傅都清楚，石墨件選不對(duì)，整爐晶棒可能直接報(bào)廢，這不是嚇唬人。普通石墨用在半導(dǎo)體單晶爐里，最讓人頭疼的就兩個(gè)問(wèn)題。第一是各向異性，擠壓或者模壓出來(lái)的石墨，粉料顆粒沿壓力方向排列，形成層狀結(jié)構(gòu)，縱向和橫向的熱導(dǎo)率、強(qiáng)度都不一樣。爐子跑起來(lái)以后，熱場(chǎng)溫度分布不均勻，晶棒生長(zhǎng)界面根本控不住，拉出來(lái)的晶棒質(zhì)量參差不齊，良率直接往下掉。第二是純度不夠，普通石墨的灰分通常在50ppm以上，而半導(dǎo)體級(jí)要求灰分小于30ppm，碳含量要達(dá)到99.999%以上。金屬離子一旦污染硅熔體，這批料基本就廢了。所以現(xiàn)在大尺寸晶圓產(chǎn)線，基本都在用等靜壓石墨來(lái)做熱場(chǎng)核心部件，這不是跟風(fēng)，是工藝逼出來(lái)的選擇。
等靜壓成型到底強(qiáng)在哪？關(guān)鍵就一個(gè)詞：各向同性
為什么等靜壓石墨能解決上面說(shuō)的那兩個(gè)痛點(diǎn)？核心在于它的成型原理跟普通石墨完全不一樣。普通石墨用擠壓或者模壓成型，壓力從一個(gè)方向加進(jìn)去，粉料顆粒會(huì)沿壓力方向取向排列，形成層狀結(jié)構(gòu)，結(jié)果就是縱向和橫向的熱導(dǎo)率、強(qiáng)度都不一樣，這就是各向異性。等靜壓成型遵循帕斯卡定律，把粉料裝在橡膠模具里，放進(jìn)高壓容器，用液體介質(zhì)從四面八方同時(shí)加壓，壓力均勻傳遞到每個(gè)表面，粉料顆粒不會(huì)沿某個(gè)方向定向排列，而是雜亂密實(shí)，燒出來(lái)之后各個(gè)方向性能一致，這就是各向同性。對(duì)半導(dǎo)體熱場(chǎng)來(lái)說(shuō)，這一點(diǎn)非常關(guān)鍵——加熱器、坩堝這些部件如果某個(gè)方向?qū)峥臁⒛硞€(gè)方向?qū)崧?，爐內(nèi)溫度場(chǎng)就會(huì)出現(xiàn)局部過(guò)熱或溫差，晶棒生長(zhǎng)界面就控不住，直接影響成品率。
純度這塊，普通石墨真比不了
除了各向同性，等靜壓石墨的純度也是普通石墨比不了的。半導(dǎo)體級(jí)要求雜質(zhì)含量控制在ppm級(jí)別，灰分要小于30ppm，碳含量得達(dá)到99.999%以上。等靜壓石墨的原料一般用針狀石油焦，硫含量低、灰分低，再經(jīng)過(guò)多次浸漬焙燒循環(huán)和高溫提純處理，用氯氣或氟利昂把殘留的金屬雜質(zhì)轉(zhuǎn)化為鹵化物揮發(fā)掉，最終制品的灰分能控制在極低水平。普通擠壓石墨的灰分通常在50ppm以上，根本達(dá)不到半導(dǎo)體的要求。而且等靜壓石墨還要經(jīng)過(guò)2000到3000度的高溫石墨化處理，碳原子從亂層結(jié)構(gòu)變成三維有序的層狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電率、導(dǎo)熱率、抗腐蝕性能都會(huì)得到很大提升，機(jī)械加工性能也跟著改善。
工藝對(duì)比一看就明白，成本高但值這個(gè)價(jià)
從工藝角度對(duì)比一下就很清楚了。擠壓成型適合做長(zhǎng)條狀的石墨電極、石墨塊，生產(chǎn)效率高，但制品密度不均勻，中心疏松邊緣致密，而且各向異性明顯。模壓成型適合形狀規(guī)則的小件，但同樣存在層狀結(jié)構(gòu)，三個(gè)方向性能不一致。等靜壓成型雖然設(shè)備貴、周期長(zhǎng)，但出來(lái)的坯料密度均勻，各個(gè)方向性能一致，后續(xù)加工精度也高。而且等靜壓石墨要經(jīng)過(guò)多次焙燒和浸漬循環(huán)，處理周期長(zhǎng)達(dá)兩到三個(gè)月，反復(fù)浸漬焙燒才能把密度和強(qiáng)度提上去?，F(xiàn)在不少石墨加工企業(yè)也在布局等靜壓石墨產(chǎn)線，河南六工石墨有限公司也有相關(guān)制品，采用冷等靜壓成型加多次焙燒浸漬的工藝路線，能做出密度1.8g每立方厘米以上的高純塊料，公差能控制在0.01毫米左右。
落到產(chǎn)線上，等靜壓石墨到底好在哪
落到半導(dǎo)體產(chǎn)線的實(shí)際應(yīng)用中，等靜壓石墨主要用在單晶直拉爐的熱場(chǎng)系統(tǒng)里，包括坩堝、加熱器、導(dǎo)流筒、保溫罩這些部件，大約有30種不同的石墨件?，F(xiàn)在8英寸、12英寸晶圓已經(jīng)成為主流，加熱區(qū)直徑做到800毫米，石墨坩堝直徑要到860毫米，加熱器直徑接近1000毫米，這么大的尺寸對(duì)材料的均勻性要求非常高，普通石墨根本扛不住。等靜壓石墨的抗熱震性能也很突出，熔點(diǎn)高達(dá)3800度，熱膨脹系數(shù)極低，急冷急熱不開(kāi)裂，爐子開(kāi)開(kāi)停停頻繁的工況下，壽命比普通石墨長(zhǎng)不少。另外它的機(jī)械加工性能好，硬度適中、切削阻力小，CNC精加工不崩角不掉粉，能做出復(fù)雜異形結(jié)構(gòu)，表面光潔度也能滿足半導(dǎo)體設(shè)備的裝配要求。說(shuō)白了，半導(dǎo)體行業(yè)選材料就看三條：純度夠不夠、均勻性好不好、耐不耐高溫。等靜壓石墨在這三項(xiàng)上都能對(duì)上號(hào)，所以它在半導(dǎo)體熱場(chǎng)領(lǐng)域的地位短期內(nèi)不會(huì)被替代。當(dāng)然成本確實(shí)比普通石墨高，制備周期也長(zhǎng)，但對(duì)追求良率和穩(wěn)定性的產(chǎn)線來(lái)說(shuō)，這筆賬算得過(guò)來(lái)。
]]>