Warum wir auf Infrarotheizung für die Herstellung von Kohlenstoffnanoröhren umgestiegen sind
Bei der Herstellung von Kohlenstoffnanoröhren spielt die Wärme eine entscheidende Rolle. Genauer gesagt: Es sind genau diese thermischen Gradienten notwendig, damit die chemische Vaporphasenabscheidung (CVD) überhaupt stattfinden kann.
Lange Zeit wurden einfach nur Widerstandsofen verwendet. Doch das Problem ist: Solche Öfen erhitzen alles – den Behälter, die Luft, die Wände – einfach alles wird heiß. Das ist eine Verschwendung.
Wir haben stattdessen Infrarotheizlampen eingesetzt. Warum? Weil Infrarotstrahlung die Luft nicht beeinflusst; sie sendet die Energie direkt in das Substrat. So ist der Prozess effizienter und schneller.
Die Wärme genau dort einsetzen, wo sie benötigt wird
In einem Reinraum möchte man schließlich nicht, dass die gesamte Maschine überhitzt. Man möchte lediglich, dass das Werkstück die maximale Temperatur erreicht und dort bleibt.
Infrarotlampen liefern eine hohe Wärmestärke. Durch Anpassung der Wellenlänge kann man gezielt diejenigen Bereiche des Substrats erwärmen, die die Energie aufnehmen. Dadurch muss man nicht warten, bis der Behälter vollständig erhitzt ist. Man verbringt weniger Zeit mit Warten und mehr Zeit mit der eigentlichen Bearbeitung. Zudem sinkt die Stromkosten pro Wafer, da man keine Stunde damit verbringen muss, die Temperatur zu erhöhen oder wieder herunterzuführen.
Die technischen Aspekte
Wir nutzen dazu Wolframfäden sowie Hochreinkquartzgehäuse. Für die Herstellung von Kohlenstoffnanoröhren verwenden wir in der Regel Kurzwellen-Infrarotstrahlung. Diese dringt tiefer in die Katalysatorschicht ein – genau dort findet die eigentliche Reaktion statt.
Wir schließen diese Lampen an präzise PID-Controller an, damit die Temperatur nicht zu stark ansteigt. Man könnte versucht sein, die Leistung zu erhöhen, um den Prozess zu beschleunigen – doch man muss vorsichtig sein. Zu starke Belastung kann dazu führen, dass die Fäden zerstört werden oder das Quarzglas durch thermische Belastung beschädigt wird.
Es handelt sich dabei um ein Gleichgewichtsspiel: Man muss die Leistungsstärke so anpassen, dass das Vakuumsystem den Kühlvorgang bewältigen kann.
Eine geringere Umweltauswirkung
Alle sprechen von „grünen Fabriken“, aber für uns geht es nicht um Schlagworte. Es geht vielmehr um die tatsächliche Umweltauswirkung des Prozesses.
Wenn man auf konventionelle Heizmethoden verzichtet und stattdessen gezielte Infrarotstrahlung verwendet, müssen die Lüftungs- und Kühlsysteme deutlich weniger arbeiten. Das ist eine einfache Möglichkeit, die Kohlenstoffbilanz bei der Herstellung von Halbleitern zu verbessern.
Man kann die Wafer schneller durch den Prozess bringen und gleichzeitig Energie sparen. Ein Tipp: Stellen Sie sicher, dass die Stromversorgung den Anstieg der Leistung beim Einschalten der Lampen verkraften kann.