1.硅晶生長用石墨材料
在半導(dǎo)體、太陽能光伏發(fā)電領(lǐng)域硅晶生長設(shè)備用石墨部件有多處，如石墨坩堝、石墨熱場、石墨蓋板、硅片外延用石墨座、石墨保溫罩和炭素保溫材料等，所用石墨部件也隨硅晶尺寸技術(shù)的發(fā)展，要求石墨坩堝、石墨熱場等材料高純度、大型化，并向高端化精尖技術(shù)發(fā)展。
硅晶體的尺寸由2英寸、4英寸、6英寸、8英寸、12英寸至到18英寸，所用石墨坩堝的尺寸也迅速增大。2002年北京有色金屬研究總院拉制出我國第一根直徑18英寸直拉單晶硅棒。直徑18英寸硅單晶拋光片是12英寸的下一代產(chǎn)品，也是未來22nm線寬的64G集成電路的襯底材料，對(duì)石墨坩堝技術(shù)性能要求也更高。過去Φ500mm以下高純石墨多采用模壓及等靜壓所制高純石墨，可滿足6英寸以下硅晶拉制坩堝需要?，F(xiàn)今晶片發(fā)展到12英寸以上最大到18英寸，這些大規(guī)格硅晶體用石墨坩堝、石墨熱場也都大型化和特大型了，所用石墨純度也大為提高。
據(jù)文獻(xiàn)顯示，日本可生產(chǎn)最大Φ2500mm的冷等靜壓各相同性石墨，國內(nèi)一般最大為Φ600mm以下各向同性石墨。為適應(yīng)硅晶用Φ1400mm/Φ1160mm×2300mm石墨，國內(nèi)某單位采用振動(dòng)成型法試制過該規(guī)格石墨坩堝。根據(jù)試驗(yàn)產(chǎn)品質(zhì)量可以達(dá)到用戶要求。
當(dāng)前大規(guī)格Φ600mm以上石墨坩堝主要依賴國外進(jìn)口，囯內(nèi)企業(yè)尚無有規(guī)模廠商業(yè)供貨。國內(nèi)主要供應(yīng)商是德國西格里（SGL）上海有限公司和日本上海東洋炭素公司等外企供貨。12英寸、18英寸硅晶片用大規(guī)格、特大規(guī)模Φ800mm、Φ1200mm、Φ1400mm的石墨坩堝，石墨熱場用各向同性石墨國內(nèi)亟須研發(fā)和生產(chǎn)。
1.1國內(nèi)硅晶用石墨
半導(dǎo)體，太陽能光伏發(fā)電硅晶用石墨以高純度各向同性石墨為主。高純石墨的制造成型分模壓，擠壓，振動(dòng)成型和冷等靜壓成型，經(jīng)過焙燒、浸漬、石墨化、純化處理等多道工序制成。由于成型等工序不同，石墨制品的最終技術(shù)性能也差異甚大。目前半導(dǎo)體硅晶生產(chǎn)企業(yè)認(rèn)同制作硅晶生長用石墨坩堝和石墨熱場的材料多為冷等靜壓成型的各向同性石墨。由于該石墨異方性在1.05~1.10之間，相比模壓成型石墨，導(dǎo)熱率優(yōu)良、抗熱振性好、熱膨脹系數(shù)低、抗折、抗壓強(qiáng)度高，與石英坩堝配合適宜等因素，目前大多使用各向同性石墨，但是也在研發(fā)試用炭/炭復(fù)合材料生產(chǎn)坩堝、熱場用硅晶生長的試驗(yàn)。
在冷等靜壓各向同性石墨生產(chǎn)方面，目前國內(nèi)受冷等靜壓設(shè)備制造和其他因素影響，國內(nèi)大規(guī)格冷等靜壓設(shè)備難尋，目前國內(nèi)約有十幾家具備生產(chǎn)冷等靜壓各向同性石墨生產(chǎn)能力的企業(yè)（設(shè)備、工藝較完善單位），也有少部分可生產(chǎn)各向同性石墨生產(chǎn)單位，是在設(shè)備，工藝不完善（沒設(shè)備，沒場地等）情況下找其他行業(yè)有該設(shè)備的單位代工生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。
目前國內(nèi)具備生產(chǎn)各向同性石墨，生產(chǎn)設(shè)備，工藝等條件的炭材料廠家有成都蓉光炭素公司高純石墨廠、吉林炭素廠、哈爾濱電碳廠、自貢東新電碳公司等單位，但這些單位由于受冷等靜壓機(jī)缸體尺寸等因素限制了產(chǎn)品規(guī)格的大型化發(fā)展，制品規(guī)格很難增大。近悉四川某地在建中的一廠家，定制了一臺(tái)國產(chǎn)缸體直徑Φ1200mm的特大型冷等靜壓機(jī)，有望生產(chǎn)大規(guī)格各向同性石墨。目前商業(yè)化生產(chǎn)各向同性石墨的廠家成都蓉光炭素公司產(chǎn)品規(guī)格較多、質(zhì)量穩(wěn)定。產(chǎn)品規(guī)格有Φ350mm×450mm×Φ585mm×600mm、400mm×400mm×400mm、900mm×540mm×260mm等，在其最大尺寸范圍內(nèi)還可按用戶要求尺寸設(shè)計(jì)加工各向同性石墨。相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表4。哈爾濱電碳廠近年也安裝了大型冷等靜壓機(jī)在研制大規(guī)格各向同性石墨制品。
 目前四川德陽迪泰機(jī)械有限公司和天津太平洋機(jī)電技術(shù)及設(shè)備有限公司等單位在冷等靜壓機(jī)設(shè)計(jì)制造方面也在努力開發(fā)大規(guī)格冷等靜壓設(shè)備。據(jù)悉2006年四川川西機(jī)械廠為外商試制過內(nèi)徑2050mm長為4700mm的冷等靜壓機(jī)，但具體結(jié)果筆者不詳。
1.2國外各向同性石墨
由于各向同性石墨有著與其他石墨不同的優(yōu)良特性，世界各國也都在發(fā)展該石墨。據(jù)悉日本、
德國、美國、法國、俄羅斯等都在開發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用各向同性石墨，發(fā)展較快的要數(shù)日本和德國。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)顯示，日本近年有幾十家企業(yè)在開發(fā)、制造各向同性石墨。日本在這一領(lǐng)域發(fā)展雖然不算早，但是發(fā)展較快。
美、德、法、日四國生產(chǎn)量的各向同性石墨產(chǎn)量占60%以上，產(chǎn)品規(guī)格多，產(chǎn)品尺寸大，是世界上各向同性石墨最大的4個(gè)國家。由于日本有較強(qiáng)的等靜壓機(jī)設(shè)計(jì)、制造能力，1982年擁有缸體Φ1000mm×700mm等靜壓機(jī)，1986年可生產(chǎn)Φ1500mm的各向同性石墨。1999年一臺(tái)特大型等靜壓機(jī)投入應(yīng)用，可生產(chǎn)Φ2500mm直徑的各向同性石墨[7]。產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)異，產(chǎn)品技術(shù)性能參見表5。圖1為各向同性石墨應(yīng)用比值參考示意圖。
同性石墨不僅應(yīng)用于半導(dǎo)體材料、航天、冶金、電火花加工、原子能等工業(yè)，還擴(kuò)大到電機(jī)制造、生物工程等方面。各向同性石墨應(yīng)用領(lǐng)域的比值見圖1。
2.炭/炭復(fù)合材料
炭/炭復(fù)合材料是新型炭材料之一，不但具有石墨的耐高溫、抗氧化等特點(diǎn)，而且還具有機(jī)械強(qiáng)度高，使用壽命長等特點(diǎn)。近年研發(fā)半導(dǎo)體硅晶生長爐等有關(guān)單位也在試用炭/炭復(fù)合材料坩堝等部件。我國中南大學(xué)粉末冶金研究院在2003年前后就研究炭/炭復(fù)合材料在硅晶生長爐用于制造坩堝、熱場、保溫罩等應(yīng)用開發(fā)，如今湖南方博云新材料有限公司已開始制造硅晶生長爐用炭/炭復(fù)合材料坩堝和炭纖維、炭氈保溫材料等制品，并在硅晶生產(chǎn)企業(yè)試用。
3.特大型各向同性石墨
各向同性石墨規(guī)格目前沒有明確劃分界限。根據(jù)大家習(xí)慣暫稱Φ500mm以下為小型，Φ500mm至Φ1200mm以下為大型，稱Φ1300mm以上規(guī)格為特大型。當(dāng)今世界上日本可稱為大型、特大型各向同性石墨生產(chǎn)國，日本在炭石墨制造中對(duì)等靜壓成型方式非常重視，無論是等靜壓設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造，到大型、特大型石墨的加工機(jī)床配套能力都排世界前列。從20世紀(jì)70年代開始制造缸體直徑為Φ200mm的等靜壓成型機(jī)到近年直徑為Φ1500mm、Φ2500mm以上的，發(fā)展速度很快。德國SGL公司提供的各向同性石墨為Φ1200mm規(guī)格的大型石墨。
國內(nèi)在各向同性石墨Φ500mm以下已產(chǎn)能過剩，但能生產(chǎn)Φ600mm以上甚少，成都蓉光炭素最大規(guī)格Φ585mm×600mm、直徑為600mm以下。為解決大型、特大型高純石墨的需要。華南師范大學(xué)陳壹華等采用振動(dòng)成型技術(shù)，研制了Φ1400mm/Φ1160mm×2300mm特大型硅晶生長用石墨坩堝制備試驗(yàn)，技術(shù)性能參見表6。主要特性略遜各向同性石墨。但是加工機(jī)床、工作平臺(tái)、浸漬等設(shè)備也難配套，產(chǎn)品質(zhì)量很難穩(wěn)定。
經(jīng)過多年的發(fā)展，我國現(xiàn)能設(shè)計(jì)制造Φ1200mm缸體等靜壓機(jī)，目前正在市場化運(yùn)作，不久將有炭石墨生產(chǎn)企業(yè)采用Φ1200mm缸體等靜壓機(jī)，生產(chǎn)我國自己制造的大型各向同性石墨，為電子行業(yè)提供生產(chǎn)硅晶用大型石墨坩堝等大規(guī)格石墨部件，逐漸實(shí)現(xiàn)大規(guī)格、特大規(guī)格各向同性石墨國產(chǎn)化。
4.分析和展望
目前大規(guī)格、特大規(guī)格各向同性石墨是我國炭石墨制品中的一項(xiàng)缺口及空白，在電子材料半導(dǎo)體、太陽能光伏發(fā)電多晶硅、單晶硅用量大幅猛增的情況下，突顯出所用大規(guī)格各向同性石墨國產(chǎn)化問題。
由于近年來硅晶產(chǎn)量迅速增長，單單電子行業(yè)用各向同性石墨年用進(jìn)口石墨費(fèi)用就達(dá)10億美元。我國海關(guān)在《對(duì)加工貿(mào)易單耗標(biāo)準(zhǔn)實(shí)務(wù)手冊(cè)》修定時(shí)，將電子行業(yè)用石墨列出并進(jìn)行修改，說明國家很重視這一工作，有可能減少石墨進(jìn)口、減少外匯支出加大國產(chǎn)化比例。但是，目前我國大型各向同性石墨研發(fā)制造的瓶頸和不利因素還存在：①大型、特大型冷等靜壓機(jī)的設(shè)計(jì)制造還沒跟上；②其他配套設(shè)施不完善，如對(duì)大型、特大型（Φ1200mm）石墨件浸漬、焙燒、石墨化、純化處理、機(jī)械加工專用機(jī)床等都需完善。我們還要認(rèn)真學(xué)習(xí)國外的經(jīng)驗(yàn)、取其之長、補(bǔ)已之短。
但是外企憑借其雄厚的技術(shù)經(jīng)濟(jì)實(shí)力，對(duì)我囯進(jìn)行技術(shù)封鎖和市場壟斷，已開始在我囯建設(shè)大型生產(chǎn)裝置，并增加了在中國的投資，力圖更有效地控制我國市場。在知識(shí)產(chǎn)權(quán)方面也加緊布置相關(guān)保護(hù)。這也是我們?cè)谛庐a(chǎn)品研發(fā)時(shí)不能忽視的一方面。另外還要注意國外的經(jīng)濟(jì)保護(hù)和經(jīng)濟(jì)控制。我國硅晶用石墨市場發(fā)展環(huán)境極為嚴(yán)峻，產(chǎn)業(yè)面臨巨大的生存壓力與挑戰(zhàn)。國內(nèi)企業(yè)如不能在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)奮起直追，加強(qiáng)研發(fā)力度，擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，增加大型制造設(shè)備，硅晶用石墨在國內(nèi)將繼續(xù)由外企高度壟斷的局面，將直接影響我囯硅晶材料的發(fā)展。
當(dāng)前我國光伏發(fā)電已至大規(guī)模啟動(dòng)臨界點(diǎn)，加上冶金、電火花加工等行業(yè)對(duì)各向同性石墨需求增加，可說是到了大規(guī)格各向同性石墨的發(fā)展良機(jī)。但是，還要做到有序穩(wěn)健發(fā)展?？上驳氖亲罱覈ば挪繝款^開始著手建立多晶硅產(chǎn)業(yè)監(jiān)測，預(yù)警體系，牽頭組織成立國內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，并與相關(guān)部委共同完成全國光伏企業(yè)調(diào)查工作，在此基礎(chǔ)上，將盡快出臺(tái)多晶硅產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見。
作者：李明宇1 鮑 彬2 李 平3 張啟彪3（1.黑龍江科技學(xué)院，哈爾濱 150025；2.黑龍江省科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所，哈爾濱 150001；3.哈爾濱電碳研究所，哈爾濱 150030）
?歡迎進(jìn)入【粉體論壇】
更多精彩！歡迎掃描下方二維碼關(guān)注中國粉體技術(shù)網(wǎng)官方微信（bjyyxtech）
|
