国产高纯炭素热场材料

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1、国产高纯碳素热场材料在半导体、太阳能硅晶体生长领域的应用及其节能效果湖南南方搏云新材料有限责任公司总经理蒋建纯湖南长沙 410100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 2025。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

2、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 36美元/公斤提高到现在的 1530 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

3、 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

4、，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，

5、或者叫做近净成形工艺。例如一个高 700mm 直径 700mm 的加热器，用碳一碳复合材料制造，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

6、产线越来越多。有专家建议，新建抛光线不能是“、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。碳一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 国产碳一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

7、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

8、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

9、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

10、，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 2025。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。6.结束语中国科研院所和中国公司致力于中国创造，通过材料、技术、设备、工艺、产品、服务的集成创新，创造性地将技术转化为高科技新产品、转化为社会价值和经济价值。大家瞄准未来产业发展的制高点，努力建设创新型企业，围绕建设资源节约型、环境友好型和谐社会的伟大目标，为推进半导体、太阳能硅晶体生长石墨碳素材料的国产化和产品的更新换代，为推广普及太阳能的应用解决我国资源不足，生态环境脆弱、经济对外依存度高的一系列难题，立足本职，着眼未来，不断开辟新的发展空间，为中华民族的复兴作出应有的贡献。