国产高纯石墨材料的应用

提要：国产高纯碳素热场材料通过集成创新，在单晶硅生长炉、多晶硅铸锭炉、氢化炉等多个领域获得成功的应用。成功地替代了进口石墨材料及其产品，成功地实现硅晶体生长热场材料的更新换代。工业使用证明，新材料、新系统较传统系统节能20－25％。

 

1.      高纯石墨的进口依存度  中国国内石墨生产厂家有数百家，都只能制造化工、冶金工业电极和碳刷等小尺寸、低纯度、粗结构的石墨锭，没有生产满足半导体、太阳能硅晶体生长炉用大尺寸、高纯度、细结构、高强度的石墨的厂家。晶圆、硅棒、晶体生长设备日益大型化，中国能拉制6英寸硅棒的CZ硅晶体生长炉多达6000台，定向结晶硅锭炉1000多台、多晶硅尾气回收系统的热氢化炉上百台。这些设备配置的高纯石墨炭素材料全部依赖进口。大量需求使高纯石墨的售价从5年前的3－6美元/公斤提高到现在的15－30美元/公斤。一套拉制6英寸硅单晶的热场售价达30万元，可拉制8英寸或12英寸硅棒的28英寸热系统，进口价要200万元/套；投料450公斤左右的定向硅结晶炉的热场售价高达100万元/套。我国2005年进口高纯石墨耗资1亿美元；06、07、08年分别耗资为1.5亿、2亿、4亿美元。按照行业的现有基础，预计2010年这类材料进口耗资10亿美元。   2. 高纯石墨碳素材料的货源  中国用高纯石墨碳素材料，主要来自于日本。日本东洋碳素，日本东海，吴羽化学，日本特殊炭素新日铁公司等。日本的石墨出口限制很严。2005年以前，企业每年办理一次一般许可证就能正常进口石墨料，后来要求一个月办一次一般许可证；2005年4月份开始要求办特别许可证。每月一审批，进口石墨的数量、规格受到严格限制。特别是硅单晶炉加热器、保温筒的IG-58石墨料，是国际原子能协会认定的核反应堆的专用材料，控制的更为严格。  给中国供应石墨碳素制品的还有德国西格里公司、法国罗兰公司等。罗兰公司进军中国市场，在重庆投资建设高纯度石墨生产厂，2007年底开始生产，2008年开始正常供货，据说二期建设完工，石墨产能达到5000吨。

由于硅材料产业发展迅速，石墨供应紧张情况一直很难缓解。石墨生产周期很长，属于高耗能、强污染行业。国外厂家扩产计划没有适时实现。国外订货周期长达8个月以上；国外限制向中国出口高质量石墨，同时一直控制着石墨加工技术市场。中国高纯石墨碳素材料的高进口依存度，存在着极大的风险。  
3. 高纯碳－碳复合热场材料的优越性 
碳－碳复合材料的比重轻，纯度高，耐高温，抗热震，高温强度、刚度、韧性高，机械强度可达石墨的5至10倍以上。湖南南方搏云新材料有限责任公司等单位生产碳－碳复合材料热场件的，采用的是少无切削加工工艺，或者叫做近净成形工艺。例如一个高700mm直径700mm的加热器，用碳－碳复合材料制造，净重只有47kg。消耗的材料重量只有用石墨棒材加工耗用材料的13分之一；石墨材料生产周期长达半年，碳－碳复合材料制品生产周期只有1到2个月。两者比较，碳－碳复合材料制品的节能、节材效果明显。全碳－碳复合材料硅单晶系统成晶条件好，成晶区域寛；无放气现象，煅烧时间短，成材率高，节能显著； 整个热场系统操作方便，使用寿命长，性价比较常规热场大幅提高。20＂、22＂、24＂以上的热系统性价比提高幅度更大。 
为提高集成电路和太阳能电池产品的质量和降低成本，硅晶圆、单晶硅棒的直径越来越大。世界上12＂抛光片的生产线越来越多。有专家建议，新建抛光线不能是8＂、应直接上12＂抛光线。这就意味着直径300mm的晶圆很快就会成为主流产品。拉制12＂晶棒，坩埚至少在28英寸以上，拉晶炉的炉膛加大到1500mm。碳－碳复合材料的热场系统较石墨材料制造这种大系统性价比会高出3倍。进口一套28英寸热场系统，耗资200万元，国产的碳－碳复合材料热场系统价格只有进口系统的60％以下，使用寿命则会高出2倍以上。  
4  国产碳－碳复合热场材料的产业化进程 
以湖南南方搏云新材料有限责任公司为代表的厂家，围绕高纯石墨碳素材料制品，开展了技术研发与技术转化工作。依靠自主创新，设计和制造了低密度、密度梯度、高密度几类材料；依靠有自主知识产权的大型真空炉设计制造技术，保证了材料制备的主要手段；依靠有自主知识产权的单晶硅生长炉热场系统设计技术，推出了单晶硅生长炉热场系统、多晶硅铸锭炉热场系统、氢化炉保温热场等产品；依靠公司自主开发的热场制品的近净成形技术，成功制造了各种类型、各种规格的产品；公司依靠自己建立和打造的研发队伍，依托中南大学的技术支持和检测试验手段，利用较强的核心技术创新能力，推出了许多新工艺、新设备，开发了大量的新产品。2008年，攻克了氢化炉加热器这一世界性难题。随着一个个产品的工业性应用考核成功，一个个产品进入产业链，彰显了碳－碳复合热场材料的优势，市场日益扩大。此外，国内还有航天四院的西安超码科技公司，中南大学等等科研院所，在氢化炉热场开发方面也做了大量的工作，取得了可喜的成绩。  
5  热场产品与解决方案及其节能效果 
南方搏云公司从单晶硅生长炉热场开始切入，很快进入国内太阳能电池硅生产的硅锭浇铸炉热场、氢化炉热场产品；产品和服务还辐射到蓝宝石、碳化硅晶体等其它人工晶体热场系统产品，从单一市场发展到多元化市场。从2008年的产品销售来看，硅晶体生长炉热场零部件仍然是主要产品，占总销售额的57％以上。多晶硅浇铸炉配套热场零件占11％；高纯硅生产用氢化炉热场22％。蓝宝石等其他人工晶体生长热场8％等。 
国内产品提供商的一大特点，就是能够依据用户的实际需要开展技术服务、给客户提供解决方案、最大限度满足客户要求；进口产品是标准化的板或筒，国内可以集成创新，提供最佳解决方案。以国产碳－碳复合热场材料替代进口高纯石墨碳素材料，以新型碳材料替代传统石墨、软碳毡热场材料，确实也离不开集成创新。半导体硅材料生产技术含量高、知识密集、资金密集，认同新型碳－碳复合材料，必须靠成功的工业实际应用，必须靠产品的适用性、经济性和高的可靠性。透彻了解碳－碳材料与制备工艺、了解产品特性，了解热场零件的使用功能和工作条件、使用过程中的受力、受热、变形、冲蚀、氧化等情况，了解热场设计特点和零件之间的装配关系等等，是做好服务的第一步。让客户了解碳－碳产品，辅导客户正确使用，做好售后服务，向工业界请教、拜师学习，认真研究，由硅晶体生长外行变成内行，认真倾听客户的要求和反馈意见，不断提高产品质量是做好服务的保障。通过工业使用验证，除了成晶区域宽、成晶效果好之外，碳－碳热场材料制造的硅单晶炉热场，较市面上一般热场节能达20－25％。 
氢化炉加热器是世界性难题。形状为U形带状，零件截面积小，只有几个平方厘米，长度却达到4M，使用条件苛刻；处于尾气处理闭环系统中，却要持续在一千多度的高温下工作，它是造成闭环系统停产的最敏感因素。U形加热器的使用可靠性对多晶硅的生产成本的影响很大。国内制造的碳－碳复合材料加热器，在成功控制几何形状、尺寸、表面光洁度的同时，材质密度高于技术要求，机械性能、电性能完全满足使用要求；加热器表面做了有效防护，使用考核效果和使用寿命完全达到国外同类产品的水平。