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       中國粉體網(wǎng)訊 第三代半導(dǎo)體又稱寬禁帶半導(dǎo)體，主要包括以碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料。相較于以硅(Si)、鍺元素(Ge)代表的第一代和以砷化鎵(GaAs)、銻化銦(InSb)為代表的第二代半導(dǎo)體材料，具有高擊穿電場、高飽和電子速度、高熱導(dǎo)率、高電子密度、高遷移率等特點(diǎn)和優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于新能源汽車、軌道交通、智能電網(wǎng)、新一代移動通信、消費(fèi)類電子等領(lǐng)域，被視為支撐能源、交通、信息、國防等產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心技術(shù)。

      據(jù)中國粉體網(wǎng)了解，作為“隱形基石”的高純石墨制品，在第三代半導(dǎo)體單晶生長中應(yīng)用非常廣泛，主要用于SiC單晶生長爐石墨坩堝和石墨加熱器，還普遍用于GaN外延生長石墨基座和抗高溫?zé)g涂層石墨基座等。

      以第三代半導(dǎo)體SiC單晶生長為例，SiC晶體生長技術(shù)主要包括物*相傳輸（PVT）法、液相外延（LPE）技術(shù)及高溫化學(xué)氣相沉積（HTCVD）法。其中，PVT法因生長質(zhì)量高、可控性好而得到廣泛應(yīng)用。在PVT生長SiC晶體過程中，通常以SiC粉料為原料，在高溫（通常超過2000℃）和低壓（接近真空或惰性氣氛）條件下發(fā)生分解，生成多種氣相物質(zhì)，經(jīng)輸運(yùn)后在石墨坩堝頂部的籽晶表面反應(yīng)并結(jié)晶。

      PVT法生長碳化硅單晶裝置示意圖

      石墨坩堝作為承載原材料和傳輸熱量的關(guān)鍵部件，其性能直接影響SiC晶體的生長質(zhì)量和效率及成本。SiC晶體生長過程是在等靜壓石墨材料制作成的坩堝中進(jìn)行，分壓較高的Si蒸氣反應(yīng)活性強(qiáng)，易與石墨坩堝側(cè)壁發(fā)生反應(yīng)。在生長初期，石墨坩堝表面緊實(shí)致密，而生長一段時間（如20h）后，坩堝內(nèi)表面出現(xiàn)粉化，石墨粉易脫落。石墨粉的產(chǎn)生會在晶體中引入碳包裹物，進(jìn)而在晶體中形成微管等缺陷。

      針對碳化硅晶體生長過程中石墨坩堝腐蝕呈現(xiàn)的復(fù)雜機(jī)制問題，比亞迪的工程師系統(tǒng)分析了PVT法生長條件下SiC粉料熱分解行為、硅蒸氣與石墨坩堝的界面反應(yīng)動力學(xué)特征，以及不同孔隙結(jié)構(gòu)的等靜壓石墨在1800℃硅蒸氣環(huán)境中的滲透行為差異。

      通過電子探針顯微分析儀（EPMA）和拉曼光譜表征手段，工程師揭示了孔隙率、孔徑分布與硅蒸氣滲透深度之間的關(guān)系，證實(shí)了孔隙結(jié)構(gòu)、界面結(jié)合強(qiáng)度是影響腐蝕的關(guān)鍵因素，并提出減少石墨坩堝腐蝕的策略，即采用細(xì)顆粒原料制備高密度、高石墨化度坩堝材料；建立準(zhǔn)平衡態(tài)生長溫度場調(diào)控模型；設(shè)計多孔排氣通道結(jié)構(gòu)；開發(fā)碳化鉭涂層技術(shù)。

      除了在以上的晶體生長系統(tǒng)中，高純石墨材料在溫度控制系統(tǒng)中也有重要應(yīng)用。溫度控制系統(tǒng)采用感應(yīng)加熱方式時，工作頻率一般為10～100kHz，感應(yīng)線圈內(nèi)部為雙層石英管，用來通冷卻水；在坩堝外圍包裹一層保溫材料，一般為石墨氈。采用電阻加熱方式時一般選用石墨發(fā)熱體，發(fā)熱體產(chǎn)生焦耳熱，通過熱輻射將熱量傳遞給石墨坩堝，再通過熱傳導(dǎo)傳遞給粉源使其受熱升華。

      電阻法長晶爐結(jié)構(gòu)

      除了石墨坩堝、石墨加熱器等高純石墨制品在第三代半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中發(fā)揮著基礎(chǔ)性的重要作用，中電科的一位工程師還提到第三代半導(dǎo)體SiC合成用超高純石墨粉。目前，第三代半導(dǎo)體SiC合成用超高純石墨粉提純技術(shù)主要分為化學(xué)法和物理法兩大類。化學(xué)提純方法包括堿酸法、氫氟酸法和氯化焙燒法等，物理提純技術(shù)如浮選法和高溫提純法等。

      隨著半導(dǎo)體行業(yè)的迅猛發(fā)展，一種結(jié)合了物理與化學(xué)提純優(yōu)勢的新技術(shù)———物化提純法應(yīng)運(yùn)而生。該方法在真空環(huán)境下對石墨粉進(jìn)行高溫加熱，通過提高真空度使雜質(zhì)在達(dá)到其飽和蒸氣壓后揮發(fā)出去，同時利用鹵素氣體將難揮發(fā)的氧化物轉(zhuǎn)變?yōu)榈头悬c(diǎn)的鹵化物，從而實(shí)現(xiàn)*提純。

      據(jù)專家介紹，這種物化提純法用于第三代半導(dǎo)體碳化硅用石墨制品提純時，其石墨制品的純度可以穩(wěn)定地達(dá)到99.9995%-99.9999%并且通過對工藝參數(shù)中的工藝氣體、爐壓和溫度的選擇，可以定向去除高純石墨制品中B和Al元素，能夠滿足第三代半導(dǎo)體碳化硅用高純石墨制品的純度要求。

      中國粉體網(wǎng)從專家處獲悉，雖然我國是石墨資源大國，也是全球天然石墨的*大供應(yīng)國，但是我國石墨材料加工技術(shù)落后于發(fā)達(dá)國家，大量出口初級產(chǎn)品，而高純石墨材料則大量進(jìn)口。目前我國第三代半導(dǎo)體碳化硅晶體生長企業(yè)所用的高純石墨制品和超高純石墨粉主要由外國企業(yè)提供。擺脫進(jìn)口依賴，趕超發(fā)達(dá)國家水平，我們?nèi)沃氐肋h(yuǎn)。

      參考來源：

      [1]王軍：PVT法生長碳化硅晶體中的石墨坩堝腐蝕機(jī)制研究，比亞迪汽車工業(yè)有限公司

      [2]楊靜等：第三代半導(dǎo)體SiC合成用超高純石墨粉高溫純化裝備及工藝研究，山西中電科電子裝備有限公司

      [3]龍振等：第三代半導(dǎo)體生產(chǎn)應(yīng)用“四高兩涂”碳基材料的技術(shù)現(xiàn)狀，南昌大學(xué)

      [4]吳忠舉等：物化提純法提純SiC用高純石墨制品技術(shù)研究，山西中電科新能源技術(shù)有限公司

      [5]粉體大數(shù)據(jù)研究：中國碳化硅襯底產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報告（2023～2026）

      （中國粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
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