國(guó)產(chǎn)高純石墨材料的應(yīng)用
提要：國(guó)產(chǎn)高純碳素?zé)釄?chǎng)材料通過(guò)集成創(chuàng)新，在單晶硅生長(zhǎng)爐、多晶硅鑄錠爐、氫化爐等多個(gè)領(lǐng)域獲得成功的應(yīng)用。成功地替代了進(jìn)口石墨材料及其產(chǎn)品，成功地實(shí)現(xiàn)硅晶體生長(zhǎng)熱場(chǎng)材料的更新?lián)Q代。工業(yè)使用證明，新材料、新系統(tǒng)較傳統(tǒng)系統(tǒng)節(jié)能20－25％。
1. 高純石墨的進(jìn)口依存度 中國(guó)國(guó)內(nèi)石墨生產(chǎn)廠家有數(shù)百家，都只能制造化工、冶金工業(yè)電極和碳刷等小尺寸、低純度、粗結(jié)構(gòu)的石墨錠，沒(méi)有生產(chǎn)滿足半導(dǎo)體、太陽(yáng)能硅晶體生長(zhǎng)爐用大尺寸、高純度、細(xì)結(jié)構(gòu)、高強(qiáng)度的石墨的廠家。晶圓、硅棒、晶體生長(zhǎng)設(shè)備日益大型化，中國(guó)能拉制6英寸硅棒的CZ硅晶體生長(zhǎng)爐多達(dá)6000臺(tái)，定向結(jié)晶硅錠爐1000多臺(tái)、多晶硅尾氣回收系統(tǒng)的熱氫化爐上百臺(tái)。這些設(shè)備配置的高純石墨炭素材料全部依賴進(jìn)口。大量需求使高純石墨的售價(jià)從5年前的3－6美元/公斤提高到現(xiàn)在的15－30美元/公斤。一套拉制6英寸硅單晶的熱場(chǎng)售價(jià)達(dá)30萬(wàn)元，可拉制8英寸或12英寸硅棒的28英寸熱系統(tǒng)，進(jìn)口價(jià)要200萬(wàn)元/套；投料450公斤左右的定向硅結(jié)晶爐的熱場(chǎng)售價(jià)高達(dá)100萬(wàn)元/套。我國(guó)2005年進(jìn)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。按照行業(yè)的現(xiàn)有基礎(chǔ)，預(yù)計(jì)2010年這類材料進(jìn)口耗資10億美元。 2. 高純石墨碳素材料的貨源 中國(guó)用高純石墨碳素材料，主要來(lái)自于日本。日本東洋碳素，日本東海，吳羽化學(xué)，日本特殊炭素新日鐵公司等。日本的石墨出口限制很嚴(yán)。2005年以前，企業(yè)每年辦理一次一般許可證就能正常進(jìn)口石墨料，后來(lái)要求一個(gè)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，進(jìn)口石墨的數(shù)量、規(guī)格受到嚴(yán)格限制。特別是硅單晶爐加熱器、保溫筒的IG-58石墨料，是國(guó)際原子能協(xié)會(huì)認(rèn)定的核反應(yīng)堆的專用材料，控制的更為嚴(yán)格。 給中國(guó)供應(yīng)石墨碳素制品的還有德國(guó)西格里公司、法國(guó)羅蘭公司等。羅蘭公司進(jìn)軍中國(guó)市場(chǎng)，在重慶投資建設(shè)高純度石墨生產(chǎn)廠，2007年底開始生產(chǎn)，2008年開始正常供貨，據(jù)說(shuō)二期建設(shè)完工，石墨產(chǎn)能達(dá)到5000噸。
由于硅材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，石墨供應(yīng)緊張情況一直很難緩解。石墨生產(chǎn)周期很長(zhǎng)，屬于高耗能、強(qiáng)污染行業(yè)。國(guó)外廠家擴(kuò)產(chǎn)計(jì)劃沒(méi)有適時(shí)實(shí)現(xiàn)。國(guó)外訂貨周期長(zhǎng)達(dá)8個(gè)月以上；國(guó)外限制向中國(guó)出口高質(zhì)量石墨，同時(shí)一直控制著石墨加工技術(shù)市場(chǎng)。中國(guó)高純石墨碳素材料的高進(jìn)口依存度，存在著極大的風(fēng)險(xiǎn)。
3. 高純碳－碳復(fù)合熱場(chǎng)材料的優(yōu)越性
碳－碳復(fù)合材料的比重輕，純度高，耐高溫，抗熱震，高溫強(qiáng)度、剛度、韌性高，機(jī)械強(qiáng)度可達(dá)石墨的5至10倍以上。湖南南方搏云新材料有限責(zé)任公司等單位生產(chǎn)碳－碳復(fù)合材料熱場(chǎng)件的，采用的是少無(wú)切削加工工藝，或者叫做近凈成形工藝。例如一個(gè)高700mm直徑700mm的加熱器，用碳－碳復(fù)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耗用材料的13分之一；石墨材料生產(chǎn)周期長(zhǎng)達(dá)半年，碳－碳復(fù)合材料制品生產(chǎn)周期只有1到2個(gè)月。兩者比較，碳－碳復(fù)合材料制品的節(jié)能、節(jié)材效果明顯。全碳－碳復(fù)合材料硅單晶系統(tǒng)成晶條件好，成晶區(qū)域?qū)?；無(wú)放氣現(xiàn)象，煅燒時(shí)間短，成材率高，節(jié)能顯著； 整個(gè)熱場(chǎng)系統(tǒng)操作方便，使用壽命長(zhǎng)，性價(jià)比較常規(guī)熱場(chǎng)大幅提高。20＂、22＂、24＂以上的熱系統(tǒng)性價(jià)比提高幅度更大。
為提高集成電路和太陽(yáng)能電池產(chǎn)品的質(zhì)量和降低成本，硅晶圓、單晶硅棒的直徑越來(lái)越大。世界上12＂拋光片的生產(chǎn)線越來(lái)越多。有專家建議，新建拋光線不能是8＂、應(yīng)直接上12＂拋光線。這就意味著直徑300mm的晶圓很快就會(huì)成為主流產(chǎn)品。拉制12＂晶棒，坩堝至少在28英寸以上，拉晶爐的爐膛加大到1500mm。碳－碳復(fù)合材料的熱場(chǎng)系統(tǒng)較石墨材料制造這種大系統(tǒng)性價(jià)比會(huì)高出3倍。進(jìn)口一套28英寸熱場(chǎng)系統(tǒng)，耗資200萬(wàn)元，國(guó)產(chǎn)的碳－碳復(fù)合材料熱場(chǎng)系統(tǒng)價(jià)格只有進(jìn)口系統(tǒng)的60％以下，使用壽命則會(huì)高出2倍以上。
4 國(guó)產(chǎn)碳－碳復(fù)合熱場(chǎng)材料的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程
以湖南南方搏云新材料有限責(zé)任公司為代表的廠家，圍繞高純石墨碳素材料制品，開展了技術(shù)研發(fā)與技術(shù)轉(zhuǎn)化工作。依靠自主創(chuàng)新，設(shè)計(jì)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(shí)產(chǎn)權(quán)的大型真空爐設(shè)計(jì)制造技術(shù)，保證了材料制備的主要手段；依靠有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的單晶硅生長(zhǎng)爐熱場(chǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)，推出了單晶硅生長(zhǎng)爐熱場(chǎng)系統(tǒng)、多晶硅鑄錠爐熱場(chǎng)系統(tǒng)、氫化爐保溫?zé)釄?chǎng)等產(chǎn)品；依靠公司自主開發(fā)的熱場(chǎng)制品的近凈成形技術(shù)，成功制造了各種類型、各種規(guī)格的產(chǎn)品；公司依靠自己建立和打造的研發(fā)隊(duì)伍，依托中南大學(xué)的技術(shù)支持和檢測(cè)試驗(yàn)手段，利用較強(qiáng)的核心技術(shù)創(chuàng)新能力，推出了許多新工藝、新設(shè)備，開發(fā)了大量的新產(chǎn)品。2008年，攻克了氫化爐加熱器這一世界性難題。隨著一個(gè)個(gè)產(chǎn)品的工業(yè)性應(yīng)用考核成功，一個(gè)個(gè)產(chǎn)品進(jìn)入產(chǎn)業(yè)鏈，彰顯了碳－碳復(fù)合熱場(chǎng)材料的優(yōu)勢(shì)，市場(chǎng)日益擴(kuò)大。此外，國(guó)內(nèi)還有航天四院的西安超碼科技公司，中南大學(xué)等等科研院所，在氫化爐熱場(chǎng)開發(fā)方面也做了大量的工作，取得了可喜的成績(jī)。
5 熱場(chǎng)產(chǎn)品與解決方案及其節(jié)能效果
南方搏云公司從單晶硅生長(zhǎng)爐熱場(chǎng)開始切入，很快進(jìn)入國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能電池硅生產(chǎn)的硅錠澆鑄爐熱場(chǎng)、氫化爐熱場(chǎng)產(chǎn)品；產(chǎn)品和服務(wù)還輻射到藍(lán)寶石、碳化硅晶體等其它人工晶體熱場(chǎng)系統(tǒng)產(chǎn)品，從單一市場(chǎng)發(fā)展到多元化市場(chǎng)。從2008年的產(chǎn)品銷售來(lái)看，硅晶體生長(zhǎng)爐熱場(chǎng)零部件仍然是主要產(chǎn)品，占總銷售額的57％以上。多晶硅澆鑄爐配套熱場(chǎng)零件占11％；高純硅生產(chǎn)用氫化爐熱場(chǎng)22％。藍(lán)寶石等其他人工晶體生長(zhǎng)熱場(chǎng)8％等。
國(guó)內(nèi)產(chǎn)品提供商的一大特點(diǎn)，就是能夠依據(jù)用戶的實(shí)際需要開展技術(shù)服務(wù)、給客戶提供解決方案、最大限度滿足客戶要求；進(jìn)口產(chǎn)品是標(biāo)準(zhǔn)化的板或筒，國(guó)內(nèi)可以集成創(chuàng)新，提供最佳解決方案。以國(guó)產(chǎn)碳－碳復(fù)合熱場(chǎng)材料替代進(jìn)口高純石墨碳素材料，以新型碳材料替代傳統(tǒng)石墨、軟碳?xì)譄釄?chǎng)材料，確實(shí)也離不開集成創(chuàng)新。半導(dǎo)體硅材料生產(chǎn)技術(shù)含量高、知識(shí)密集、資金密集，認(rèn)同新型碳－碳復(fù)合材料，必須靠成功的工業(yè)實(shí)際應(yīng)用，必須靠產(chǎn)品的適用性、經(jīng)濟(jì)性和高的可靠性。透徹了解碳－碳材料與制備工藝、了解產(chǎn)品特性，了解熱場(chǎng)零件的使用功能和工作條件、使用過(guò)程中的受力、受熱、變形、沖蝕、氧化等情況，了解熱場(chǎng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)和零件之間的裝配關(guān)系等等，是做好服務(wù)的第一步。讓客戶了解碳－碳產(chǎn)品，輔導(dǎo)客戶正確使用，做好售后服務(wù)，向工業(yè)界請(qǐng)教、拜師學(xué)習(xí)，認(rèn)真研究，由硅晶體生長(zhǎng)外行變成內(nèi)行，認(rèn)真傾聽客戶的要求和反饋意見，不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量是做好服務(wù)的保障。通過(guò)工業(yè)使用驗(yàn)證，除了成晶區(qū)域?qū)?、成晶效果好之外，碳－碳熱?chǎng)材料制造的硅單晶爐熱場(chǎng)，較市面上一般熱場(chǎng)節(jié)能達(dá)20－25％。
氫化爐加熱器是世界性難題。形狀為U形帶狀，零件截面積小，只有幾個(gè)平方厘米，長(zhǎng)度卻達(dá)到4M，使用條件苛刻；處于尾氣處理閉環(huán)系統(tǒng)中，卻要持續(xù)在一千多度的高溫下工作，它是造成閉環(huán)系統(tǒng)停產(chǎn)的最敏感因素。U形加熱器的使用可靠性對(duì)多晶硅的生產(chǎn)成本的影響很大。國(guó)內(nèi)制造的碳－碳復(fù)合材料加熱器，在成功控制幾何形狀、尺寸、表面光潔度的同時(shí)，材質(zhì)密度高于技術(shù)要求，機(jī)械性能、電性能完全滿足使用要求；加熱器表面做了有效防護(hù)，使用考核效果和使用壽命完全達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品的水平。