國產高純碳素熱場在半導體太陽能硅晶體生長領域應用
提要：國產高純碳素熱場材料通過集成創新，在單晶硅生長爐、多晶硅鑄錠爐、氫化爐等多個領域獲得成功的應用。成功地替代了進口石墨材料及其產品，成功地實現硅晶體生長熱場材料的更新換代。
Abstract: Through integrated innovation domestic high-purity carbon refractory materials are used in monocrystalline silicon growing furnaces, polysilicon ingot molding furnace, hydrogenizing furnace and other fields. Successful alternative to the import of graphite materials and the replacement of silicon crystal growth thermal field materials.
中國國內石墨生產廠家多達數百家，卻只能制造化工、冶金工業電極和碳刷等小尺寸、低純度、粗結構的石墨錠，沒有能生產半導體、太陽能硅晶體生長爐用大尺寸、高純度、細結構、高強度的石墨的廠家。晶圓、硅棒、晶體生長設備日益大型化，我國能拉制6英寸硅棒的CZ硅晶體生長爐達到6000臺，定向結晶硅錠爐1000多臺、多晶硅尾氣回收系統的熱氫化爐也上百臺。這些設備的高純石墨炭素材料全靠依賴進口。大量需求使國外高純度石墨的售價從5年前的3－6美元/公斤提高到現在的15－30美元/公斤。一套拉制6英寸硅單晶的熱場售價達30萬元，可拉制8英寸或12英寸
硅棒的28英寸熱系統，進口價要200萬元/套；投料450公斤左右的定向硅結晶爐的熱場售價高達100萬元/套。我國2005年進口高純石墨耗資1億美元；06、07、08年分別耗資為1.5億、2億、4億美元。預計2010年進口這類材料需要耗資10億美元。
中國用高純石墨碳素材料，主要來自于日本。如日本東洋碳素，日本東海，吳羽化學，日本特殊炭素新日鐵公司等。日本的石墨出口限制很嚴。2005年以前，企業每年辦理一次一般許可證就能正常進口石墨料，后來要求一個月辦一次一般許可證；2005年4月份開始要求辦特別許可證。每月一審批，而且嚴格限制進口石墨的數量、規格。特別是硅單晶爐加熱器、保溫筒的IG-58石墨料，是國際原子能協會認定的核反應堆的專用材料，控制的更為嚴格。
給中國供應石墨碳素制品的還有德國西格里公司、法國羅蘭公司等。羅蘭公司進軍中國市場，在重慶投資建設高純度石墨生產廠，2007年底開始生產，2008年開始正常供貨，每年可生產700-800噸石墨產品。
由于硅材料產業發展迅速，石墨供應緊張情況一直很難緩解。由于需求旺盛和石墨生產周期等原因，國外訂貨周期長達8個月以上；國外限制向中國出口高質量石墨，同時控制石墨加工技術市場。中國高純石墨碳素材料的進口高依存度，存在著極大的風險。
2. 碳－碳復合熱場材料的優越性
碳－碳復合材料的比重輕，純度高，耐高溫，抗熱震，機械強度可達石墨的5至10倍以上。例如高700mm直徑700mm的加熱器，用碳－碳復合材料制造，凈重只有47kg
。消耗的材料重量只有用石墨棒材加工同樣一個加熱器的的13分之一。湖南南方搏云新材料有限責任公司生產碳－碳復合材料熱場件的，采用的是少無切削加工工藝，或者叫做近凈成形工藝。從制品投料到出產品，生產周期是1到2個月。與石墨制品比較，生產碳－碳復合材料制品的節能節材效果明顯。
為降低集成電路和太陽能電池產品的成本，提高質量，晶圓片也就是單晶硅棒的直徑越來越大。世界上12＂拋光片的生產線越來越多。有專家建議，新上線應直接上12＂拋光線。意味著直徑300mm的晶圓很快就會成為主流產品。拉制300mm晶圓的晶棒，坩堝至少在28英寸以上。碳－碳復合材料的熱場系統較石墨材料制造這種大系統性價比會高出3－5倍。進口一套28英寸熱場系統，耗資200萬元，國產的碳－碳復合材料熱場系統價格只有進口系統的60％以下，使用壽命則會高出2倍以上。
3 碳－碳復合熱場材料的產業化進程
湖南南方搏云新材料有限責任公司針圍繞高純石墨碳素材料制品，開展了技術研發與技術轉化工作。公司自主創新，設計和制造了低密度、密度梯度、高密度幾類材料；依靠有自主知識產權的大型真空爐設計制造技術，保證了材料制備的主要手段；依靠有自主知識產權的單晶硅生長爐熱場系統設計技術，推出了單晶硅生長爐熱場系統、多晶硅鑄錠爐熱場系統、氫化爐保溫熱場等產品；依靠公司自主開發的熱場制品的近凈成形技術，成功制造了各種類型、各種規格的產品；公司依靠自己建立和打造的研發隊伍，依托中南大學的技術支持和檢測試驗手段，在實踐中鍛煉提高，擁有較強的核心技術創新能力。2008年，攻克了氫化爐加熱器這一世界性難題。隨著一個個產品的工業性應用考核成功，一個個產品進入產業鏈，彰顯了碳－碳復合熱場材料的優勢，碳－碳復合熱場材料市場日益擴大。
4 產品結構與技術服務
公司從單晶硅生長爐熱場開始，逐步進入國內太陽能電池硅生產的硅錠澆鑄爐熱場、氫化爐熱場的市場；還輻射到藍寶石、碳化硅晶體等其它人工晶體熱場系統市場。
從2008年的產品銷售來看，硅晶體生長爐熱場零部件仍然是主要產品，占總銷售額的57％以上。多晶硅澆鑄爐配套熱場零件占11％；高純硅生產用氫化爐熱場22％。藍寶石等其他人工晶體生長熱場8％等。主要的客戶是上海卡姆丹克，內蒙晟納吉，四川新光硅業，浙江萬向硅峰，河南洛陽MCL，安徽鴻福晶體，天津希力斯，浙江紹興精功科技，江西賽維LDK，江西上饒晶科，浙江寧波立立電子等等。前十大客戶以單晶硅生長爐熱場為主，其它依次為多晶硅澆鑄爐熱場、多晶硅尾氣處理氫化爐熱場、藍寶石熱場等。
給客戶提供解決方案，是服務的一大創新。公司的使命是以國產碳－碳復合熱場材料替代進口高純石墨碳素材料，以新型碳材料替代傳統石墨、軟碳氈熱場材料。要讓半導體硅材料客戶認同新型碳材料、認同一種國產碳－碳復合材料，必須要通過工業實際應用。產品的高技術特性、所服務行業的高要求，產品要進入半導體、太陽能硅晶體生長產業鏈的門檻很高。營銷人員要了解自己的材料與制備工藝、了解自己的產品特性，要了解熱場零件的使用功能和工作條件、使用過程中的受力、受熱、變形、沖蝕、氧化等情況，了解各熱場零件之間的裝配關系等等。讓客戶了解你的產品，把產品推銷出去、輔導使用、售后服務環環都要到位。向工業界請教、到處拜師學習，認真研究，由硅晶體生長外行變成內行。走訪全國各地的客戶，傾聽客戶的要求和反饋意見，認真推介公司的產品，重點拓展重要客戶，邀請來自世界各地的客人、邀請國內知名客戶來公司做技術交流和指導工作。
圖2.2008年公司訂單行業分布比例
5 核心
作者：蔣建純 來源：
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