现代半导体工业对材料的要求极为严苛：需耐受超高温环境(>1500℃)、具备高纯度以避免污染、拥有优异的导热与导电性能，同时还需抵抗腐蚀性气体与热应力冲击。传统材料如石英、陶瓷或金属钼/钨虽各有优势，但难以全面满足需求。而石墨凭借其物理化学性质，成为半导体制造中不可替代的关键材料，尤其在高温工艺、晶体生长和精密加工环节发挥重要作用。
半导体石墨的核心特性
1. 超高熔点与耐高温性
石墨的熔点高达3652℃，升华温度>3900℃，在惰性气氛中可长期承受3000℃以上高温，远超硅(1414℃)、碳化硅(2700℃)等半导体材料的熔点，适配高温工艺需求。
2. 导热性与各向异性
石墨的平面内热导率达2000 W/(m·K)，且具有层状结构特性，可定向传导热量，显著提升温度均匀性。
3. 低热膨胀系数
沿c轴方向热膨胀系数仅0.5×10⁻⁶/K，与硅(2.6×10⁻⁶/K)匹配度高，减少热应力对晶圆的影响。
4. 化学惰性与抗腐蚀性
在氢气、氩气等还原性气氛中稳定性很强，不与硅熔体或蚀刻气体发生反应。
5. 高纯度与可加工性
高纯石墨(纯度>99.99%)杂质含量极低，且可通过机械加工制成复杂形状，适应定制化需求。
核心应用领域与技术优势
1. 晶体生长：硅锭与碳化硅晶圆的“摇篮”
- 直拉法(CZ法)硅锭生长
石墨坩埚(内衬高纯石墨)直接接触高温硅熔体(约1420℃)，其高纯度避免金属污染，低热膨胀系数减少晶格缺陷。例如，太阳能级硅锭生产中，石墨坩埚的寿命直接影响单晶硅的光电转换效率。
- 碳化硅(SiC)外延生长
SiC物理气相沉积(PVT)法需2500℃以上的高温环境，钽或石墨坩埚是选择。石墨的耐超高温性和抗碳化硅侵蚀性，使其成为SiC晶圆制造的核心耗材。
2. 化学气相沉积(CVD)与外延工艺
- 硅基外延与GaN外延
石墨基座用于承载硅或蓝宝石衬底，其高导热性确保外延层温度均匀，减少应力堆积。例如，LED外延生长中，石墨盘的平整度直接影响Wafer的厚度一致性。
- 石墨烯制备
CVD法生长石墨烯时，铜箔催化剂需附着在石墨托盘上，后者在1000℃下为碳源裂解提供均匀热场。
3. 高温扩散与氧化工艺
- 硼/磷扩散炉
石墨扩散炉管在800-1200℃下输送载气，其耐腐蚀性和尺寸稳定性保障掺杂均匀性。
- 硅片氧化
干氧氧化(>1000℃)过程中，石墨夹具避免金属污染，确保二氧化硅层质量。
4. 光伏与半导体热处理设备
- 烧结炉与退火炉
石墨加热器(如石墨毡、石墨管)作为电阻发热体，在氢气氛围中可快速升温至1500℃，用于硅片烧结或离子注入后退火。其优势在于：
- 高电热转换效率(>90%)，能耗低于钼/钨；
- 非感应性发热，避免电磁干扰；
- 长寿命(可循环使用数千次)。
5. 蚀刻与清洗工艺
- 氟化气体防护
石墨挡板或保护罩用于隔离蚀刻区域，耐受CF₄、SF₆等活性气体腐蚀，防止设备损伤。
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更新时间：2025-07-02
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