1、 用心专注 服务专业碳石墨材料的特性及其在半导体硅材料业中的应用1. 碳石墨材料及其特性1.1 碳石墨材料的定义与品种碳是一种非金属元素，原子序数为 6，原子量 12.011。自然界中以单质形态存在的碳有金刚石、石墨和各种煤炭。金刚石和石墨是结晶形碳，各种煤炭为无定型碳，它们都是碳的同素异性体。在 2000以上高温，无定型碳可以转化为石墨（graphite） ，而石墨在极高的压力和温度下又可生成金刚石。石墨是一种碳原子之间呈六角环形状的多层迭合晶体，由于石墨晶体表面吸附作为润滑剂的气体，在摩擦过程中表面形成薄膜，因此石墨具有自润滑性。按其使用要求，碳石墨材料可划分为机械用碳、电子电工用碳、化工
2、用碳和冶金用碳等大类。按材质又可分为硬质碳、中硬质碳和软质碳。按品种分为碳石墨、电化石墨、浸渍树脂石墨、浸渍无机盐石墨和浸渍金属石墨等。根据不同的使用要求，碳石墨材料可制成不同尺寸的轴承、密封件、电刷、石墨模、石墨坩埚、刮片、滑块等零部件。目前在电子产品应用市场中，需求呼声最高的一类石墨制品是具有高强度、高密度、高纯度（含碳量在99.99%以上）的石墨制品（简称为“三高石墨”）。三高石墨属于“特种石墨”，它很大部分的产品是人造碳-石墨为原料而制成的，其工艺方法很大部分采用等静压工艺法，生产出的产品为各向同性石墨。例如，应用于半导体生产的直拉单晶硅炉热场中的特种石墨，就是绝大多数多采用高纯细颗粒
3、的等静压各向同性石墨制成的。1.2 碳石墨材料的特性碳石墨材料的主要特点是具有良好的自润滑性、重量轻、多孔性、导电性、导热性、耐腐蚀性，耐热冲击性，热膨胀系数低，耐高温，抗氧化性，可加工性等。因碳石墨材料的制造过程决定了其质硬而脆、气孔率大的特性。用浸渍的方法，可降低气孔率，达到不透性，提高机械强度和硬度的目的。碳石墨材料的主要物化性能指标归纳如下：（1） 摩擦系数。由于碳石墨有自润滑性，所以摩擦系数低。当石墨与石墨对磨时，摩擦系数为 0.22，石墨与金属对磨时为 0.04-0.05。由于它具有此特性，因此凡是那些带油或油脂等润滑的部件不能适用的情况下都可用碳石墨材料代替。它既可用于干法作业，
4、也能应用于有腐蚀性液体的湿法作业，还可应用于不宜使用带油类润滑剂的液体作业中。（2） 热膨胀系数。碳石墨的热膨胀系数一般为（2-3）10 -6/，为钢材的 1/4，不锈钢的用心专注 服务专业1/7。（3） 密度。碳石墨的密度一般为 1.4-1.6g/cm3，浸渍树脂石墨达 1.7-1.9g/cm3，浸渍金属石墨可达 2.2g/cm3 以上，经多次浸渍沥青的高纯石墨体积密度可达 1.8g/cm3 以上。（4） 导热系数。为 100-110 千卡/米小时度，比铁大 2 倍。（5） 耐热性和抗热冲击。碳石墨有较高的耐热性和耐温急变性，抗热冲击，它可耐 2000，急冷急热不会炸裂。因此碳石墨可制成坩埚
5、、模具、衬板等用于冶金、电子工程方面。（6） 化学稳定性。碳石墨不溶于有机、无机溶剂，除氧化性强的酸（如铬酸和硝酸）外，与许多酸不发生反应，不与碱、盐类发生反应。2. 碳石墨材料在半导体、光伏业用硅材料加工工程中的应用2.1 概述近年来，随着我国集成电路市场及光伏产品市场的迅速增大，微电子、光电子工业的飞速发展对高纯石墨，特别对“三高石墨”需求量很大。半导体、光伏产业的发展，特别是太阳能电池用多晶硅锭材料在产量与市场方面的突飞猛进变化，都给石墨制品提供了在这两大领域一个广阔前景的新市场。它也标志着高纯、优质的石墨碳石墨材料产品由传统的应用市场向着电子工程应用市场方面新迈进。由于碳石墨材料具有良
6、好的耐高温性和化学稳定性，因此在单晶硅、多晶硅、砷化镓、宝石单晶等材料及制品生产过程中广泛用石墨材料制作石墨碗、石墨加热器和聚晶模，热处理模，隔热屏，保温罩，石墨盖板等。直拉单晶炉使用的石墨部件属于易损件，对各种高纯石墨加工而成的部件需求量不断增大。在生产铸锭多晶硅设备上，石墨作为加热材料，隔热材料是必不可少的配套材料。目前我国在半导体、光伏产业领域应用的石墨制品，要求大规格，高纯、高密、高强度、细颗粒，各向同性的石墨迅速增大。目前在半导体、光伏产业领域用的许多石墨制品还需要大量的依靠国外供应。这些市场的需求，导致石墨近年进口大幅的增加。这无疑是石墨工业经济发展的良机，也是石墨企业开拓新市场的
7、重大机遇。 2.2 碳石墨材料在的半导体工业中的应用半导体的发展与石墨材料在半导体工业中的应用是分不开的。电子工程用石墨制品，首先是实现在半导体工业中得到应用。在直拉单晶炉内使用的石墨部件是一类易耗件, 它由各种高纯石墨加工而成。例如其中的石墨坩埚及其他石墨部件采用了高纯细颗粒结构石墨；石墨加热器采用了高纯各向同性石墨；石墨保温罩和石墨盖板采用高纯中颗粒结构的石墨。用心专注 服务专业在半导体硅片加工（包括区熔、外延、外形加工等）中作为辅助工具、部件；在半导体硅片用多晶硅材料的生产中为辅助工具、部件。2.3 石墨制品的太阳电池应用市场概况石墨材料具有热贯性小，可以快速加热，对高温（超过1600）
8、辐射面积大，加热效率高，性能稳定，因此在生产铸锭多晶硅设备上，多个组件是需要石墨材料。特别是铸锭炉加热器中使用的加热材料高纯石墨，以及所用的隔热材料高纯碳毡隔热材料，都目前铸锭多晶硅设备重要的、必不缺少的配套材料。由于铸锭炉加热器的加热温度很高（超过 1600 ），它的加热材料又要求不能与硅料反应、不对硅料造成污染，可长期在真空及惰性气氛中使用。符合使用条件可供选择的加热器有金属钨、钼和非金属石墨等。由于钨、钼价格昂贵，加工困难，而石墨来源广泛，可加工成各种形状。另外，石墨具有热惯性小、可以快速加热，耐高温、耐热冲击性好，辐射面积大、加热效率高、且基本性能稳定等特点。正因如此，石墨材料已成为了
9、铸锭炉加热器中首选的加热材料。铸锭炉加热器对于隔热材料有着严格的要求。它必须是耐高温、密度低、导热小、蓄热量少、隔热效果好、放气量少、重量轻、膨胀系数小的材料。因此在众多的耐火保温材料中以高纯碳毡最为理想。2.4 多晶硅工业对碳石墨材料的要求一般用于半导体、光伏工业工程用石墨材料对它的机械性能（包括抗压强度、抗折强度等） 、物理性能（包括体积密度、气孔率、灰分、体积密度） ，以及电阻率有严格的要求。表 1 举出了半导体硅片加工中使用的小型成品坩埚对石墨件的性能要求；表 2 所示了铸锭多晶硅炉用石墨件的性能要求。表 1 小型成品坩埚对石墨件的性能要求项目灰分10 -6体积密度g/cm 3气孔率%
10、抗压强度MPa抗折强度MPa电阻率m使用寿命（炉次）要求值 200 1.70 25 20 15 10-30 3表 2 铸锭多晶硅炉用石墨件的性能要求用心专注 服务专业项目灰分%抗折强度MPa抗压强度MPa体积密度g/cm 3气孔率%电阻率m要求值 0.01 40 90 1.80 20 153 . 碳石墨材料的制造过程碳石墨材料是以沥青焦、石油焦、石墨粉、人造石墨粉、炭黑等为原材料，经破碎、磨粉、混合、压制、焙烧、石墨化等工序而成。生产流程如下：加沥青粘结剂浸一次或二次沥青原材料的选择十分重要，一般对石油焦、沥青焦的灰分要求为0.5%，石墨粉为 1%，人造石墨粉为 0.5%。为了得到细颗粒石墨，
11、原材料焦碳采用超细磨粉机磨粉，料粉粒径为 5-10m；磨压粉粒度为 30-40m。为了提高材料的密度，制品经一次焙烧后可浸渍 1-2 次沥青再焙烧。同时在等静压成型时，单位压力要达到 200 MPa 以上。焙烧后制品经 2500以上高温石墨化，灰分达 0.02%以下，石墨化后制品再经通卤气石墨化提纯，灰分可达 0.005%以下。达到高纯、高密、高强度的目的。4.4 主要用途由于碳石墨材料具有良好的耐高温性和化学稳定性，因此在单晶硅、多晶硅、砷化镓、宝石单晶等材料及制品生产过程中广泛用石墨材料制作石墨碗、石墨加热器和聚晶模，热处理模，隔热屏，保温罩，石墨盖板等。直拉单晶炉使用的石墨部件属于易损件
12、，对各种高纯石墨加工而成的部件需求量不断增大。在生产铸锭多晶硅设备上，石墨作为加热材料，隔热材料是必不可少的配套材料。目前我国在半导体、光伏产业领域应用的石墨制品，要求大规格，高纯、高密、高强度、细颗粒，各向同性的石墨迅速增大。此外，上述“三高石墨”还可在电火花加工方面使用，效果十分理想。5 设计注意事项5.1 使碳石墨部件处于受压状况。因为碳石墨系非金属脆性材料，抗压强度是抗弯强度的 3倍，所以在工作时，使其受压，减少震动或窜动，发挥材料的特性，效果更佳。5.2 考虑热膨胀系数对石墨件及相邻结构的影响。石墨的热膨胀系数为 310-6/，浸金属石原材料破碎 磨粉 配料混合 轧辊料片破碎 磨粉（
13、压粉） 等静压（或模压）成型焙烧 二次或三次焙烧 石墨化 加卤气提纯石墨化毛坯 加工成品用心专注 服务专业墨为 4-810-6/。在设计时要充分考虑这一点，以免引起石墨件破碎。5.3 对磨副装配材料表面粗糙度要好，二者贴合面达 85%以上，运转时石墨件在其工作面上形成一层光亮的石墨润滑膜，降低摩擦系数，减少磨损。5.4 选择合适的摩擦副材料。常用的有铸铁、不锈钢、青铜、硬质合金、碳化硅等。5.5 装配问题。对于石墨件来说，装配十分关键，合理的装配可以收到良好的使用效果。与石墨件配对的材料及邻近结构，表面要清洗干净，石墨件有钻孔或与其他金属件配合的地方必须圆滑，要倒角，避免碰伤。在装配时不要用力敲打石墨件，以免敲碎裂。5.6 根据不同的使用要求，采用不同规格，不同性能的石墨材料，如铸锭多晶硅设备用石墨件，可用高纯度、高密度、高强度、细颗粒的石墨制品。6 结束语随着现代工业的发展，在半导体、光伏产业、风电产业、高速铁路、地铁等领域对碳石墨材料提出了更高及新的要求。目前很多材料还是靠进口，用国产材料代替进口件是我们的目标。北京广信国能碳素有限公司是专门从事碳石墨材料加工、研制的企业，目前生产的碳石墨材料已在电力设备、铁路、地铁、多晶硅工业、石油、化工等领域广泛应用。企业重质量，守诚信，以优良的技术服务得到广大用户的信赖和赞誉。
