01 石墨矿物

       半导体制造是科技进步的核心，这是个高度精密和复杂的制造过程。石墨，从碳化硅（SiC）长晶到离子注入，再到外延工艺，以其优异的性能，成为半导体各类产品制造中不可或缺的“隐形英雄”。

       石墨，这种自然界的奇迹材料，以其独特的物理和化学特性，在半导体行业中扮演着不可或缺的角色。

       石墨（graphite）是一种矿物名，主要成分是碳，通常产于变质岩中，是煤或碳质岩石（或沉积物）受到区域变质作用或岩浆侵入作用形成。它是元素碳的一种同素异形体，每个碳原子的周边连结著另外三个碳原子，排列方式呈蜂巢式的多个六边形，每层间有微弱的范德华引力。出产地主要为中国、印度、巴西和朝鲜。

       石墨具有层状结构，层间结合力弱，其单晶呈鳞片状、板状，通常为鳞片状、块状或土状的集合体，平行底面为完全解理。莫氏硬度为1-2，密度为2.09-2.23g/cm3，比重2.21～2.26。有高的滑润性，但随鳞片的大小而改变，鳞片愈大，摩擦系数越小，在3500℃升华。具有良好的导电、导热和可塑等性质，广泛应用于石油化工、有色金属、核工业、航空航天等领域，是重要的战略性资源

       在石墨制品的世界里，加工看似简单，实则蕴含着深厚的技术与艺术。尤其是在半导体领域，石墨件的制作更是一项挑战，它不仅要求精湛的工艺，更考验着对材料特性的深刻理解和对客户需求的精准把握。比如客户的产品要求是抗压，还是低热膨胀系数？

       石墨最常见于大理岩、片岩或片麻岩中，是有机成因的碳质物变质而成。煤层可经热变质作用部分形成石墨。少量石墨是火成岩的原生矿物。石墨也常见于陨石中，一般为团块状，以一定方位关系组成立方体外形的多晶集合体称方晶石墨。分布最广是石墨的变质矿床，系由富含有机质或碳质的沉积岩经区域变质作用而成；著名产地有纽约Ticonderoga，马达加斯加和Ceylon，我国以黑龙江鸡西市柳毛为最大的产地。

       石墨质软，黑灰色；有油腻感，可污染纸张。硬度为1～2，沿垂直方向随杂质的增加其硬度可增至3～5。比重为1．9～2．3。比表面积范围集中在1-20m2/g，在隔绝氧气条件下，其熔点在3000℃以上，是最耐温的矿物之一。它能导电、导热。

       自然界中纯净的石墨是没有的，其中往往含有SiO2、Al2O3、FeO、CaO、P2O5、CuO等杂质。这些杂质常以石英、黄铁矿、碳酸盐等矿物形式出现。此外，还有水、沥青、CO2、H2、CH4、N2等气体部分。因此对石墨的分析，除测定固定碳含量外，还必须同时测定挥发分和灰分的含量。

       碳是一种很常见的元素，它以多种形式广泛存在于大气和地壳之中。碳单质很早就被人认识和利用，碳的一系列化合物——有机物更是生命的根本。碳是生铁、熟铁和钢的成分之一。碳能在化学上自我结合而形成大量化合物，在生物上和商业上是重要的分子。生物体内大多数分子都含有碳元素。

       碳的存在形式是多种多样的，有晶态单质碳如金刚石、石墨；有无定形碳如煤；有复杂的有机化合物如动植物等；碳酸盐如大理石等。单质碳的物理和化学性质取决于它的晶体结构。高硬度的金刚石和柔软滑腻的石墨晶体结构不同，各有各的外观、密度、熔点等。

       常温下单质碳的化学性质比较稳定，不溶于水、稀酸、稀碱和有机溶剂；不同高温下与氧反应燃烧，生成二氧化碳或一氧化碳；在卤素中只有氟能与单质碳直接反应；在加热下，单质碳较易被酸氧化；在高温下，碳还能与许多金属反应，生成金属碳化物。碳具有还原性，在高温下可以冶炼金属。

       石墨是碳质元素结晶矿物，它的结晶格架为六边形层状结构。每一网层间的距离为3.40Å，同一网层中碳原子的间距为1．42Å。属六方晶系，具完整的层状解理。解理面以分子键为主，对分子吸引力较弱，故其天然可浮性很好。

       石墨与金刚石、碳60、碳纳米管等都是碳元素的单质，它们互为同素异形体。

       1） 耐高温性：石墨的熔点为3850±50℃，沸点为4250℃，即使经超高温电弧灼烧，重量的损失很小，热膨胀系数也很小。石墨强度随温度提高而加强，在2000℃时，石墨强度提高一倍。

       2） 导电、导热性：石墨的导电性比一般非金属矿高一百倍。导热性超过钢、铁、铅等金属材料。导热系数随温度升高而降低，甚至在极高的温度下，石墨成绝热体。石墨能够导电是因为石墨中每个碳原子与其他碳原子只形成3个共价键,每个碳原子仍然保留1个自由电子来传输电荷。

       3）润滑性：石墨的润滑性能取决于石墨鳞片的大小，鳞片越大，摩擦系数越小，润滑性能越好。

       4）化学稳定性：石墨在常温下有良好的化学稳定性，能耐酸、耐碱和耐有机溶剂的腐蚀。

       5）可塑性：石墨的韧性好，可碾成很薄的薄片。

       6）抗热震性：石墨在常温下使用时能经受住温度的剧烈变化而不致破坏，温度突变时，石墨的体积变化不大，不会产生裂纹。

       02 资源利用

       1、作耐火材料：石墨及其制品具有耐高温、高强度的性质，在冶金工业中主要用来制造石墨坩埚，在炼钢中常用石墨作钢锭之保护剂，冶金炉的内衬。

       2、作导电材料：在电气工业上用作制造电极、电刷、碳棒、碳管、水银正流器的正极，石墨垫圈、电话零件，电视机显像管的涂层等。

       3、作耐磨润滑材料：石墨在机械工业中常作为润滑剂。润滑油往往不能在高速、高温、高压的条件下使用，而石墨耐磨材料可以在200~2000 ℃温度中在很高的滑动速度下，不用润滑油工作。许多输送腐蚀介质的设备，广泛采用石墨材料制成活塞杯，密封圈和轴承，它们运转时勿需加入润滑油。石墨乳也是许多金属加工(拔丝、拉管)时的良好的润滑剂。

       4、石墨具有良好的化学稳定性。经过特殊加工的石墨，具有耐腐蚀、导热性好，渗透率低等特点，就大量用于制作热交换器，反应槽、凝缩器、燃烧塔、吸收塔、冷却器、加热器、过滤器、泵设备。广泛应用于石油化工、湿法冶金、酸碱生产、合成纤维、造纸等工业部门，可节省大量的金属材料。

       5、作铸造、翻砂、压模及高温冶金材料：由于石墨的热膨胀系数小，而且能耐急冷急热的变化，可作为玻璃器的铸模，使用石墨后黑色金属得到铸件尺寸精确，表面光洁成品率高，不经加工或稍作加工就可使用，因而节省了大量金属。生产硬质合金等粉末冶金工艺，通常用石墨材料制成压模和烧结用的瓷舟。单晶硅的晶体生长坩埚，区域精炼容器，支架夹具，感应加热器等都是用高纯石墨加工而成的。此外石墨还可作真空冶炼的石墨隔热板和底座，高温电阻炉炉管，棒、板、格棚等元件。

       6、用于原子能工业和国防工业：石墨具有良好的中子减速剂用于原子反应堆中，铀一石墨反应堆是目前应用较多的一种原子反应堆。作为动力用的原子能反应堆中的减速材料应当具有高熔点，稳定，耐腐蚀的性能，石墨完全可以满足上述要求。作为原子反应堆用的石墨纯度要求很高，杂质含量不应超过几十个PPM 。特别是其中硼含量应少于0.5PPM 。在国防工业中还用石墨制造固体燃料火箭的喷嘴，导弹的鼻锥，宇宙航行设备的零件，隔热材料和防射线材料。

       7、石墨还能防止锅炉结垢，有关单位试验表明，在水中加入一定量的石墨粉(每吨水大约用4~5 克)能防止锅炉表面结垢。此外石墨涂在金属烟囱、屋顶、桥梁、管道上可以防腐防锈。

       8、石墨可作铅笔芯、颜料、抛光剂。石墨经过特殊加工以后，可以制作各种特殊材料用于有关工业部门。

       9、电极：石墨何以能取代铜做为电极？

       20世纪60年代，铜做为电极材料被广泛应用，使用率约占90%，石墨仅有10%左右；21世纪，越来越多的用户开始选择石墨作为电极材料，在欧洲，超过90%以上的电极材料是石墨。铜，这种曾经占统治地位的电极材料，和石墨电极相比它的优势几乎消失殆尽。是什么导致了这个戏剧性的变化？当然是石墨电极的诸多优势。

       （1）加工速度更快：通常情况下，石墨的机械加工速度能比铜快2~5倍；而放电加工速度比铜快2~3倍

       材料更不容易变形：在薄筋电极的加工上优势明显；铜的软化点在1000度左右，容易因受热而产生变形；石墨的升华温度为3650度；热膨胀系数仅有铜的1/30。

       （2）重量更轻：石墨的密度只有铜的1/5，大型电极进行放电加工时，能有效降低机床（EDM）的负担；更适合于在大型模具上的应用。

       （3）放电消耗更小；由于火花油中也含有C原子，在放电加工时，高温导致火花油中的C原子被分解出来，转而在石墨电极的表面形成保护膜，补偿了石墨电极的损耗。

       （4）没有毛刺；铜电极在加工完成后，还需手工进行修整以去除毛刺，而石墨加工后没有毛刺，节约了大量成本，同时更容易实现自动化生产。

       （5）石墨更容易研磨和抛光；由于石墨的切削阻力只有铜的1/5，更容易进行手工的研磨和抛光。

       （6）材料成本更低，价格更稳定；由于近几年铜价上涨，如今各向同性石墨的价格比铜更低，相同体积下，东洋炭素的普遍性石墨产品的价格比铜的价格低30%～60%，并且价格更稳定，短期价格波动非常小。

       正是这种无可比拟的优势，石墨逐渐取代铜成为EDM电极的首选材料。

       石墨新用途：

       随着科学技术的不断发展，人们对石墨也开发了许多新用途。

       柔性石墨制品。柔性石墨又称膨胀石墨，是年代开发的一种新的石墨制品。

       美国首先研究成功柔性石墨密封材料，解决了原子能阀门泄漏问题，随后德、日、法也开始研制生产。这种产品除具有天然石墨所具有的特性外，还具有特殊的柔性和弹性。

       因此，是一种理想的密封材料。广泛用于石油化工、原子能等工业领域。国际市场需求量逐年增长。

       03 等静压石墨在半导体制造中的关键应用

       1. 碳化硅（SiC）长晶

       碳化硅作为第三代半导体材料，广泛应用于新能源汽车、5G通信等领域。在碳化硅无论6寸还是8寸长晶过程中，等静压石墨主要用于制造以下关键部件：

       石墨坩埚：可用来合成碳化硅粉原料，也可以在高温下辅助进行晶体生长。其高纯度、耐高温和抗热震性能确保晶体生长环境的稳定性。

       石墨加热器：提供均匀的热场分布，确保碳化硅晶体的高质量生长。

       保温筒：用于维持长晶炉内的温度均匀性，减少热量损失。

       2. 离子注入

       离子注入是半导体制造中的关键工艺之一，等静压石墨在离子注入机中主要用于制造以下部件：

       石墨吸极：用于吸收离子束中的杂质离子，确保离子注入的纯净度。

       石墨聚焦环：用于聚焦离子束，提高离子注入的精度和效率。

       石墨衬底托盘：用于承载硅片，在离子注入过程中保持稳定性和一致性。

       3. 外延工艺

       外延工艺是半导体器件制造中的重要环节，等静压石墨在外延炉中主要用于制造以下部件：

       石墨托盘、石墨基座：用于承载硅片，在外延过程中提供稳定的支撑和均匀的热传导。比如K465石墨盘、A7石墨盘、A8石墨盘。

       4. 其他半导体制造领域

       等静压石墨还广泛应用于以下半导体制造领域：

       刻蚀工艺：用于制造刻蚀机的石墨电极和石墨保护件，其耐腐蚀性和高纯度确保刻蚀工艺的稳定性和精度。

       化学气相沉积（CVD）：用于制造CVD炉内的石墨托盘和石墨加热器，其高导热性和耐高温性能确保薄膜沉积的均匀性。

       封装测试：用于制造测试夹具和承载托盘，其高精度和低污染特性确保测试结果的准确性。

       石墨加工件的优势

       高纯度：采用高纯等静压石墨材料，杂质含量极低，满足半导体制造对材料纯度的苛刻要求。自有纯化炉可对石墨的纯化做到5ppm以下。

       高精度：拥有先进的加工设备和成熟的加工工艺，确保产品尺寸精度和形位公差达到微米级。

       高性能：产品具有优异的耐高温、耐腐蚀、抗辐射、高导热等性能，满足半导体制造各种严苛工况需求。

       定制化服务：可根据客户需求提供定制化产品设计和加工服务，满足不同应用场景的需求。