国产高纯碳素热场在半导体太阳能硅晶体生长领域应用
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。
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.
中国国内石墨生产厂家多达数百家，却只能制造化工、冶金工业电极和碳刷等小尺寸、低纯度、粗结构的石墨锭，没有能生产半导体、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，我国能拉制6英寸硅棒的CZ硅晶体生长炉达到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也上百台。这些设备的高纯石墨炭素材料全靠依赖进口。大量需求使国外高纯度石墨的售价从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。预计2010年进口这类材料需要耗资10亿美元。
中国用高纯石墨碳素材料，主要来自于日本。如日本东洋碳素，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，而且严格限制进口石墨的数量、规格。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，每年可生产700-800吨石墨产品。
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。由于需求旺盛和石墨生产周期等原因，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，同时控制石墨加工技术市场。中国高纯石墨碳素材料的进口高依存度，存在着极大的风险。
2. 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，机械强度可达石墨的5至10倍以上。例如高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同样一个加热器的的13分之一。湖南南方搏云新材料有限责任公司生产碳－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。从制品投料到出产品，生产周期是1到2个月。与石墨制品比较，生产碳－碳复合材料制品的节能节材效果明显。
为降低集成电路和太阳能电池产品的成本，提高质量，晶圆片也就是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，新上线应直接上12＂抛光线。意味着直径300mm的晶圆很快就会成为主流产品。拉制300mm晶圆的晶棒，坩埚至少在28英寸以上。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3－5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。
3 碳－碳复合热场材料的产业化进程
湖南南方搏云新材料有限责任公司针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。公司自主创新，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，在实践中锻炼提高，拥有较强的核心技术创新能力。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，碳－碳复合热场材料市场日益扩大。
4 产品结构与技术服务
公司从单晶硅生长炉热场开始，逐步进入国内太阳能电池硅生产的硅锭浇铸炉热场、氢化炉热场的市场；还辐射到蓝宝石、碳化硅晶体等其它人工晶体热场系统市场。
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。主要的客户是上海卡姆丹克，内蒙晟纳吉，四川新光硅业，浙江万向硅峰，河南洛阳MCL，安徽鸿福晶体，天津希力斯，浙江绍兴精功科技，江西赛维LDK，江西上饶晶科，浙江宁波立立电子等等。前十大客户以单晶硅生长炉热场为主，其它依次为多晶硅浇铸炉热场、多晶硅尾气处理氢化炉热场、蓝宝石热场等。
给客户提供解决方案，是服务的一大创新。公司的使命是以国产碳－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。要让半导体硅材料客户认同新型碳材料、认同一种国产碳－碳复合材料，必须要通过工业实际应用。产品的高技术特性、所服务行业的高要求，产品要进入半导体、太阳能硅晶体生长产业链的门槛很高。营销人员要了解自己的材料与制备工艺、了解自己的产品特性，要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，了解各热场零件之间的装配关系等等。让客户了解你的产品，把产品推销出去、辅导使用、售后服务环环都要到位。向工业界请教、到处拜师学习，认真研究，由硅晶体生长外行变成内行。走访全国各地的客户，倾听客户的要求和反馈意见，认真推介公司的产品，重点拓展重要客户，邀请来自世界各地的客人、邀请国内知名客户来公司做技术交流和指导工作。
图2.2008年公司订单行业分布比例
5 核心
作者：蒋建纯 来源：
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